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软体机器人成长空间巨大成技术竞争战略制高点

2021-07-09 来源:莆田机械信息网

软体机器人成长空间巨大 成技术竞争战略制高点

软体机器人是目前科学界一个新兴的研究领域,虽然时间不长,但它们已经有了自己的代言人——《超能陆战队》中的大白。相比于刚性机器人,软体机器人理论上具有无限多自由度,有着灵活弯曲、扭转,能更好地适应各种环境,成本低等优点,因而拥有巨大的市场空间。

目前,世界上已形成几类软体机器人研发:例如气动式软体机器人,可以实现抓握或爬行;还有形状记忆的材料制成的机器人,通过温度或者光照变化产生驱动力,此外,科学家还在进行肌肉细胞作为软体机器人材料的方法,其中一部分已走向产业应用。同时,对“软体机器人”的研究已成为机器人源头技术竞争的一个战略制高点。

就在前不久,美国北卡罗来纳州立大学的研究者开发了几类软体机器人设备,这些软体机器人的成功源自于其控制领域的重大进展。其中一项新技术使用磁场来远程操控软聚合物中的微粒链。

“通过将这些自组装链嵌入软体机器人,我们可以让其在保有相对简单设计的同时还可以进行复杂的活动任务。”北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学院副教授Joe Tracy 说道,“从远程触发药物输送泵到远程可展开结构的发展都是这些设备的可能应用场景。”

通过使用这项技术,研究者开发了三款软体机器人。其中一个是条悬臂,它可以提起最大超过自身 50 倍重量的物体。另一个是个手风琴状,模仿肌肉的可伸缩设备。第三个是管状设备,其设计目的是可以当做可蠕动泵:一个沿管子长度移动的扁长区域,这很像一个人沿着牙膏管道挤出其最后一点牙膏。

可以说全球范围内,关于软体机器人的研究都在火热进行着,国内亦是如此。4月5日,浙江大学实验室里的一条“鱼”出现在著名大众科学杂志《新科学家》上:全身柔软无骨,能以每秒6厘米的速度不动声色地畅游3小时,速度达到世界同类软体机器人最快。

据介绍,这条机器鱼身长9.3厘米,体重90克,外形酷似蝠鲼(鳐鱼的一种,人称“魔鬼鱼”),比一枚鸡蛋略重,将它投到鱼缸中,它就如真鱼附体,扑扇着“两翼”划水前进。

实际上,这条鱼是有电子肌肉的。这一层薄薄的 “电子肌肉”,实际上由三层材料组成:上下两层是透明的介电高弹体薄膜,中间是导电用的碳膏或水凝胶;三层材料紧密地粘合在一起,就像北京著名小吃“茯苓饼”。如果给它两极通上交流电,它已经可以像心脏一样地“跳”动了。

“电子肌肉在电刺激的作用下可以快速的响应,所以我们的这个扑动的频率可以比较高,游动的速度比较快。”浙大航空航天学院李铁风说,“此外,‘鱼’在水中,包裹它身体的水就是产生电压的负极,这也是我们设计中一个创新设计。”

值得一提的是,浙大造机器鱼浑身的材料都是工业级的材料,在国内有巨大的产量和化工工业基础,造价低廉,并且对环境友好。这也是课题组努力的目标,除了省电、还要省钱、环保,适合工业级的生产制造。“我们希望将来制作机器鱼能像制造我们的橡胶鞋底一样简单,在模具中一冲便能成型。”李铁风说。

想要和人类更接近需要研发软体机器人

大多数机器人是用钢铁做成的,但是人的百分之八十五都是非常软性的东西,所以从本质上人是非常柔性和软性的。而人类之所以有这么强的传感能力就是因为大多数都是用软性的材料,如果要打造这种和人类比较接近的机器人就必须要用这种软性的材料。举个例子,如果人类想要握住一个硬的东西,抓住一个玻璃杯的话你的手指会随着它的组织适应它的形状。如果我们在手指上放一些硬的东西可能就抓不住这个玻璃杯了,所以还是涉及到用什么材料的问题,软性材料要测试的话还是要对这个物体进行抓、捏和推,肯定也希望像人一样抓取这些东西,这些都需要软性材料的使用。

图:Rolf Pfeifer演示软体材料的优势——手握玻璃杯

软体机器人的结构和材料是非线性的,且拥有多自由度,这导致了机器人的动作任务比刚性机器人更加复杂,这对算法和控制系统的要求非常高。举个Octobot 章鱼软体机器人的例子,Octobot由硅橡胶制成,其控制系统是一款柔性微流体芯片,内部的阀门和开关由压力激活,引导液态燃料流过“身体”,从而控制8只“爪子”的动作。Octobot的身体便是3D打印而成,研究人员将硅橡胶倾倒入一个章鱼形状的模具中,接着用3D打印机朝其中注入特殊墨水,随后通过加热来矫正其结构,并使墨水蒸发。在机器人的爪子内部留下一个中空的网络并同大脑相连,机器人的“大脑”通过这个中空管道同爪子“交谈”。

图:Octobot章鱼软体机器人

软体机器人能完成各种特殊的任务,例如爬陡坡、钻进极其狭小的空间,比刚性机器人更灵活能完成更多的任务。除此之外,它可以更好适应各种环境,受到外界冲击后也不会产生大的伤害,在空间狭小、非结构下的环境下都可以完成复杂的任务,例如医疗、军事及探测领域。另外,其材料可以用3D打印等方式来生产,成本也比刚性机器人要低得多。对未来量产机器人也有重要的意义。

软体机器人面临的技术性挑战:跨邻域学科开发协同

软体机器人首要面临的挑战就是材料学,要进行软体机器人的技术研发就需要不断地开发新的材料。目前我们看到的机器人基本上都是硬质材料的,比如金属、塑料等,这些材料的发展与应用都已经相对成熟了,而我们现在研究的软体机器人的材料还是有着巨大的发展空间的。到目前为止,大多数在机器人这个领域有建树的科学家都来自机械工程、电子工程、计算机科学等学科背景,还没有太多材料科学、生物科学的专家参与到这个领域中来,因此我们下一步主要面临的难题就是如何推动跨学科的综合背景的科学家的加入,让有材料科学、生物科学在这个领域发挥巨大的作用。等到材料科学和生物科学这种跨领域的学科、技术与机器人的开发协同起来的时候,才能够真正的推动以人为中心的机器人的开发。

除了研发上的难点,社会学、心理学上也有挑战。人会喜欢和他比较接近的东西,比如说一些娃娃会做的比较仿真,但是心理学上有研究,当“仿真”达到一个临界值的时候,人会对和他很像的东西感到恐惧。软体机器人相比于传统的硬质机器人,会更像人,对此产生的可能的不适应也需要相关的研究。

软体机器人会有更自然的人机交互体验

Pfeifer教授现在成立了一个工厂叫做“Living With Robots”,这些机器人将来可以做服务员给大家发一些饮料,也会装很多的传感器,人们在未来和机器人互动也会更加自然。第一个产品可能是做一个吧台的服务员,我们这里用到的技术包括软性的机器人技术,可以充分利用各种材料简化这种中央控制的功能。第二个产品就是要解放它,也就是说要让机器人能够从过去的限制当中走出来,比如在吧台工作的话中间可以走动的地方就非常的窄,其实就不需要过多地走动,只需要熟悉那一点地方就可以了。

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