什么是柔性機(jī)器人？柔性機(jī)器人的材料和驅(qū)動

近日，一篇刊登在最新一期《美國化學(xué)會—應(yīng)用材料與界面》雜志上的論文又將“柔性機(jī)器人”這一概念拉回人們視線中，中科院理化技術(shù)所的研究人員新發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)合金在犧牲金屬或電場的刺激下可變色特點(diǎn)，加上其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、低粘度、良好的流動性和生物相容性，顯示出了一定條件下可以變形和運(yùn)動的能力；為柔性機(jī)器人提供可變性變色材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可能性。

早在2015年，中國科學(xué)家就在世界上首次根據(jù)液態(tài)金屬在電場下自主運(yùn)動可變形的特性從理論和技術(shù)層面論證了液態(tài)金屬柔性機(jī)器人的可能性。此前，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜在其撰寫的室溫液態(tài)金屬綜述文章中也曾寫道，“液態(tài)金屬可變形機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望促成柔性機(jī)器理論與技術(shù)取得重大突破?！?/p>

什么是柔性機(jī)器人？

新加坡國立大學(xué)機(jī)械工程系教授朱建曾給出過一個簡單的概念，柔性機(jī)器人的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性、良好的人機(jī)互動性等。

我們一般常見的人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)大多是僵硬的，跳躍落地時都會重重地砸向地面，傳統(tǒng)的剛性材料很難讓機(jī)器人靈活地呈現(xiàn)給大家，未來的機(jī)器人應(yīng)該是朝著更輕、更柔軟、對外部動力依賴程度更低的方向發(fā)展，到時候人機(jī)協(xié)作會更安全、更協(xié)調(diào)。

柔性機(jī)器人目前分為工業(yè)和生物兩大類，主要是為了應(yīng)對制造業(yè)和醫(yī)療行業(yè)的需求，有意思的是柔性機(jī)器人在不同的領(lǐng)域定義也不完全相同。從制造業(yè)的角度來講，柔性機(jī)器人是指運(yùn)用機(jī)器視覺的六軸以上的工業(yè)機(jī)器人。從生物學(xué)角度來講，柔性機(jī)器人是指模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生機(jī)器人。后者將被應(yīng)用至各種復(fù)雜環(huán)境中幫助甚至代替人們執(zhí)行特殊、高級的任務(wù)。

雖然柔性機(jī)器人有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗室階段，甚至柔性機(jī)器人大多使用的還是剛性材料，比如金屬、塑料等材料制成。目前科學(xué)界研發(fā)出了各種軟體動物機(jī)器人，包括蠕蟲機(jī)器人，毛毛蟲機(jī)器人，章魚和八爪魚機(jī)器人等，但大多仍屬于多個硬質(zhì)單元組成的機(jī)構(gòu)，與柔軟和普適變形乃至融合等高級機(jī)器所具備的能力還存在相當(dāng)大距離，更不同于自然界中人或動物那樣的有著柔軟外表、無縫平滑的連接。所以我們在這里主要討論一下完全由柔性材料構(gòu)成，沒有多余硬性結(jié)構(gòu)在其中的柔性機(jī)器人。

那些腦洞大開的柔性機(jī)器人

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程師從葡萄藤、真菌和神經(jīng)細(xì)胞等可通過生長而覆蓋距離的天然生物獲得設(shè)計靈感，研發(fā)了可自我生長的柔性機(jī)器人，這種藤狀機(jī)器人可以長距離生長，而不會移動其全身，它可以用在搜索，救援行動和醫(yī)療應(yīng)用中。

哈佛大學(xué)的研究者們出了一款章魚形狀的完全柔性機(jī)器人 “Octobot”。這款機(jī)器人全身都由軟軟的柔性材料構(gòu)成，不需要外接動力，自己就能運(yùn)動起來。浙江大學(xué)航空航天學(xué)院、浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗室李鐵風(fēng)副教授和黃志龍教授課題組從海洋生物鰩魚（蝠鲼）的柔軟身體與柔性撲翼推進(jìn)獲得啟發(fā)，利用介電高彈體薄膜作為軟體人工肌肉驅(qū)動器。

來自凱斯西儲大學(xué)的研究人員則開發(fā)了一種基于折紙設(shè)計的新型3D打印柔性機(jī)器人，其可變形性使其形狀變形來吸收額外的力，不需要任何額外的傳感器來檢測力并調(diào)整自身。因此，必要的人力干預(yù)量急劇減少并且軟而安全。

柔性機(jī)器人的材料和驅(qū)動

需要高靈活性和可變形性的柔性機(jī)器人，主要技術(shù)難點(diǎn)在于其構(gòu)成材料，其次在于驅(qū)動上，因為傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼已不再適用，人們會想辦法保證其材料的柔軟性，目前比較常見的是通過3D打印的方式來制作“外殼”，比如水凝膠造出的膠狀機(jī)器人，MIT的一個研究團(tuán)隊就做了嘗試性的試驗，他們用3D打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實(shí)現(xiàn)“身體”的“柔韌性”，然后通過液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動。

再就是通過一些特殊的材料來打造類似于人造肌肉的材料，像電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金這樣的物質(zhì)都是人造肌肉的良好材料，以形狀記憶合金為例，它可以根據(jù)溫度自動改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實(shí)現(xiàn)彎曲、變短、抓取物體等動作。

新進(jìn)展比較多的材料就是文章一開始提及的液態(tài)金屬，可以在電、磁、光、熱、化學(xué)、機(jī)械等外場控制下，在不同的形態(tài)和運(yùn)動模式上任意切換，甚至吃”掉“燃料”后，能夠自主運(yùn)動等類生物行為。。

從材料來看，主要是電力驅(qū)動，比如上述的人造肌肉材料等職能材料需要通電產(chǎn)生的形變產(chǎn)生驅(qū)動力，其次就是利用環(huán)境的變化來獲取動力，如溫度、空氣以及光照等方式。但是這些驅(qū)動方式也有很大的隱患，機(jī)器人的運(yùn)動精度控制上有難度，另一方面，如果驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動所需的電場強(qiáng)度過高，也會影響它在一定范圍內(nèi)的運(yùn)動。

所以目前雖然柔性機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)頗多，研究方向也不同，但離落地使用，還有很長一段路要走，柔性機(jī)器人或許能令我們?nèi)祟愰_發(fā)生物啟發(fā)下的人工智能，從而將其應(yīng)用到更多不同場景。