告別剛性機器人：新一代柔軟有彈性機器款款走來

柔軟機器人放棄了定義此前一代機器人的骨骼。這些機器沒有像骨頭或關節之類的部件，能以全新的方式伸展、蜷縮和擠壓。

2007年，CeciliaLaschi讓父親為其在意大利里窩那市的海濱實驗室抓一只活章魚。后者以為Laschi瘋了：作為消遣性的釣魚人，他認為章魚是如此容易被抓住，因此這肯定是一種非常愚蠢的動物。那么，一名同金屬和微處理器打交道的機器人學研究者到底想用這種柔軟黏糊的頭足類動物干什么？

不管怎樣，這位老人還是在托斯卡納海岸抓了一只章魚，并把它交給在比薩圣安娜高等學校工作的女兒。Laschi和學生將這只動物放在一個鹽水水箱中，從而研究它是如何抓到零碎的鳀魚和螃蟹的。隨后，該團隊著手建造能模擬這些動作的機器人。

通過一個個原型，他們終于創建了一個帶有內部彈簧和電線的人造觸手。該設備能以一種活靈活現的方式呈現波浪形狀、伸長、收縮、變硬和彎曲。“這是一種完全不同的機器人建造方法。”Laschi說。

過去10年間，這種方法已成為機器人學的重要研究前沿。該領域的科學家和工程師通常受到擁有堅硬骨骼的人類和其他動物的啟發，一直致力于研究硬體機器人。這些機器擁有只能圍著固定關節彎曲和變直的僵硬四肢，因此其具備的優點是能以數學上可預測的方式移動。不過，它們還要求一絲不茍的程序編寫和大量的反饋，以避免撞向其他物體。即便這樣，在同人類、新物體打交道，或者處于崎嶇的山路和其他無法預測的情形中時，它們的移動也經常變得不穩定，甚至帶來危險。

受章魚、毛毛蟲或魚類等靈活性動物啟發而建造的機器人提供了一種解決方法。主要由柔韌或彈性材料建造的柔軟機器人能自己改變形狀，以適應周圍環境，而不需要大量（并且通常不完美）的計算。盡管一些此類機器利用電線或彈簧模擬肌肉和筋腱，但總體上，柔軟機器人放棄了定義此前一代機器人的骨骼。這些機器沒有像骨頭或關節之類的部件，能以全新的方式伸展、蜷縮和擠壓。它們可改變形狀或大小，環繞物體，甚至比以往任何時候都能更加安全地碰觸人類。

順暢地移動

如今，全球數百萬臺工業機器人均源自同一種基本構想。這些由金屬結合在一起的機器利用其沉重而僵硬的四肢，在汽車組裝線和工業產房中承擔著繁重的體力勞動。其速度、力量和盲目的重復都是人類難以企及的。不過，標準機器人要求專業的編程、受到嚴格控制的條件以及對自身移動的持續反饋，從而精確地知曉何時以及如何移動它們諸多關節中的每一個。同時，它們無法勝任超出編程參數的任務，并且會在無法預測的環境中完全不起作用。大多數機器人必須呆在柵欄后面，以保護它們的人類工友免受無意的傷害。

“想象一下系鞋帶有多難。”美國麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室主任DanielaRus介紹說，“這種能力正是我們想讓機器人具備的。”

過去10年間，這一愿望觸發了日益增加的興趣，即研發能處理有著高精度要求或不可預測情形并直接同人類合作的更輕、更廉價機器人。包括Laschi在內的一些機器人專家認為，柔軟材料和生物啟發性設計能提供答案。

Laschi說，這種想法起初很難讓人接受。“剛開始，非常傳統的機器人學會議并不想接收我的論文。”她說，“但如今已有專門針對這個主題的完整會議。”幫助激發起興趣的是在高分子科學領域取得的最新進展，尤其是鑄造、模塑或3D打印聚合物形成自定義繪圖物體技術的開發。這使得機器人專家能更加自由、迅速地嘗試制造各種柔軟的形式。

結果是，目前已有30多家機構加入于2013年啟動的軟機器人協作組織。第二年則見證了專業期刊——《軟機器人技術》的推出，以及被稱為“軟機器人技術工具箱”的開放獲取資源的上線。后者是一個由愛爾蘭都柏林圣三一學院和哈佛大學研究人員開發的網站，能讓研究者和業余愛好者共享技巧，并找到可供下載的設計和其他信息。

抓住市場份額

盡管大多數機器人仍呆在實驗室里，但哈佛大學軟機器人技術研究者、化學家GeorgeWhitesides創造的一些機器人正冒險“出門”，滿足工業界對靈巧機器手的需求。傳統抓手需要關于物體位置、形狀、重量和輕滑度等因素的詳細信息，以便準確地移動每個關節。一種系統或許能專門對付洗發水瓶，另一種只能撿起小孩的玩具，其他系統則需要用于抓住T恤衫。不過，隨著制造商更新其產品線，以及電子商務倉庫要處理種類日益增多的物品，這些公司需要換上定制的抓手，并且為每種不同的應用更新控制算法。這通常需要很大的成本并耽擱時間。

相反，主要由柔軟和彈性材料建造的抓手能包裹并適應不同形狀和尺寸的物體。位于馬薩諸塞州劍橋市的初創公司——軟機器人技術于2013年從Whitesides的研究中分離出來，目前已籌集到約450萬美元用于開發彈力機械爪生產線。

這些機械爪全部由彈性聚合物制成，當空氣通過其內部通道時便會彎曲。僵硬的機器手必須仔細計算每個手指的移動，新抓手的柔軟度則能使其圍著物體表面變形，直到緊緊抓住物體，而不會造成任何損害。它甚至能撿起蘑菇、收獲草莓，并將西紅柿從藤上摘下來。傳統上，這些任務均要求工人小心的碰觸。軟機器人技術公司在2015年6月發布了首個用于售賣的抓手，目前則正在同涉及包裝和食物處理的6家客戶公司運行試驗程序。

對位置的感知

隨著機械章魚、毛毛蟲、海星和其他延展性機器的出現，一些科學家開始聚焦控制這些設備行動的更好方法。“我們討論的是松軟、有彈性的材料。”印第安納州普渡大學機械工程師RebeccaKramer介紹說，“當有東西在一邊移動，你并不是很確定機器的其他部分將在哪里停止。”這便是為何很多應用可能需要額外的傳感器監控移動。然而，傳統的位置和力傳感器——僵硬或半僵硬的電子元器件——未必總能和經歷了極端形狀改變的軟機器人很好地“相處”。

諸如Yong-LaePark等工程師正在通過研發可伸縮的電子傳感器解決該問題。在卡耐基梅隆大學，Park致力于研究含有夾在硅橡膠片中間的液態金屬電路的黏性貼片。這些液態電路以包括螺旋和條紋在內的各種模式澆筑成型，從而通過定制感知設備何時以及朝哪個方向被擠壓或拉伸。

“可伸縮傳感器能和皮膚一樣敏感，這取決于你如何設計它們。你可以將它們調整到對手指輕微擦過或一個重30磅的物體作出反應。”康奈爾大學機械工程師RobertShepherd表示。他開發出一種方法，可直接在軟機器人上3D打印對拉伸敏感的“皮膚”。

可伸縮傳感器在迅速發展的可穿戴機器人學領域扮演著重要角色。在美國軍方的資助下，來自哈佛大學的ConorWalsh花費數年研發并改良了一種為士兵打造的軟機械護甲。它很柔軟，類似于較早的“鐵人”外骨骼，旨在幫助士兵長距離搬運沉重的載荷。Walsh介紹說，用戶仍能感覺到有設備在幫助他們移動，但穿著這種衣服行走會感覺“非常自然”。這是對傳統外骨骼的一個較大改進。Walsh的衣服利用了由尼龍、聚合物和氨綸制成并且策略性地沿腿部放置的帶子，而不是笨重且僵硬的套子。一些位置和加速度傳感器——目前還是標準的僵硬設備——能幫助監控穿戴者的步態，并在關鍵時刻提供幫助。Walsh表示，下一步是將可伸縮傳感器包括進來，從而產生更柔軟、更舒適的體驗。