哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出了一款新型的柔性機(jī)器人

隨著柔性機(jī)器人的迅速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到，冰冷、僵硬只是我們對(duì)機(jī)器人的刻板印象。近年來(lái)，有不少研究團(tuán)隊(duì)受貓狗、蛇、章魚(yú)等動(dòng)物的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出多種形態(tài)的柔性機(jī)器人。這一次，哈工大研究團(tuán)隊(duì)受到了象鼻的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了新型的柔性機(jī)器人。

近日，國(guó)際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團(tuán)隊(duì)的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉）。
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哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國(guó)最早開(kāi)展機(jī)器人技術(shù)研究的高校之一，也是我國(guó)第一臺(tái)電焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、空間機(jī)器人、月球車(chē)的誕生地，在機(jī)器人技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位。

據(jù)報(bào)道，此次哈工大冷勁松教授研究團(tuán)隊(duì)受到了象鼻的啟發(fā)，在研究上又有了新發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了新型的柔性機(jī)器人——新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉。

人造肌肉

在該研究中，「氣動(dòng)人工肌肉」是一個(gè)核心元素。

據(jù)了解，氣動(dòng)人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場(chǎng)下通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

而氣動(dòng)人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)進(jìn)行推拉動(dòng)作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢(shì)。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來(lái)形容它再合適不過(guò)了。

實(shí)際上，由于具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結(jié)構(gòu)、與骨骼肌相似的特性，氣動(dòng)人工肌肉在軟體仿生機(jī)器人、變剛度靜水骨骼等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，這類(lèi)材料在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、軍事、航天、光學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，具有巨大的商業(yè)潛力。

早在 20 世紀(jì) 40 年代，科研人員就開(kāi)始對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團(tuán)隊(duì)還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當(dāng)期 Science 封面。

【氣動(dòng)人工肌肉 圖源百度百科】

“仿象鼻”柔性機(jī)器人

近年來(lái)，曾有不少研究團(tuán)隊(duì)受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚(yú)、兔子等等的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出多種形態(tài)的柔性機(jī)器人。而此次哈工大研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了新型的柔性機(jī)器人。
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研究團(tuán)隊(duì)指出，氣動(dòng)人工肌肉運(yùn)動(dòng)在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。

為此，該團(tuán)隊(duì)在可伸展/收縮的氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據(jù)論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成（如下圖）。
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當(dāng) HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時(shí)，將產(chǎn)生繞軸的彎曲、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使致動(dòng)器產(chǎn)生螺旋變形，類(lèi)似我們?cè)趧?dòng)物園見(jiàn)過(guò)的象鼻彎曲旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

而區(qū)分伸展還是收縮，主要取決于「編織角度」——編織角度 > 54.74 度時(shí)為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時(shí)為 HC-PAMs（下圖 ii）。

在此基礎(chǔ)之上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一個(gè)仿象鼻的高自由度柔性臂來(lái)探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負(fù)載能力很強(qiáng)，而 HE-PAMs 可產(chǎn)生更多的變形。
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值得一提的是，這一研究提出了統(tǒng)一的理論方法，將會(huì)為其他研究人員提供可靠的參考——該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)、分析，建立了氣動(dòng)人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動(dòng)人工肌肉的特性。

據(jù)了解，軸向、彎曲和螺旋氣動(dòng)人工肌肉可以廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方向，比如軟體分類(lèi)機(jī)器人、搜索機(jī)器人、生物機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)輔助外骨骼、力反饋可穿戴設(shè)備等等。

提升人機(jī)互動(dòng)性的柔性機(jī)器人

實(shí)際上，人造肌肉材料已成為當(dāng)今研究的前沿和熱門(mén)，這與人們對(duì)柔性機(jī)器人領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注密不可分。

捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說(shuō)中，根據(jù) Robota（捷克文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波蘭文“工人”），創(chuàng)造出“機(jī)器人”一詞。100 年后，機(jī)器人不再只是僵硬、冰冷的機(jī)器，柔性機(jī)器人正進(jìn)入我們的視野，工業(yè)柔性機(jī)器人和生物柔性機(jī)器人是其主要的 2 個(gè)分支。

柔性機(jī)器人可具備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，以及良好的人機(jī)互動(dòng)性。正如香港科技大學(xué)機(jī)器人研究院院長(zhǎng)、機(jī)械及航空航天工程學(xué)系教授王煜在 2018 年世界機(jī)器人大會(huì)上所說(shuō)：

相較于剛體材料而言，軟體材料互動(dòng)性好很多，如果用軟體材料做出新的機(jī)器人，可能會(huì)開(kāi)拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

不過(guò)，想要完美地同時(shí)兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個(gè)突破口，比如中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團(tuán)隊(duì)考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用前景

當(dāng)前，全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步增長(zhǎng)。據(jù)相關(guān)報(bào)告，2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到294.1億美元，2014～2019年全球機(jī)器人市場(chǎng)的平均增長(zhǎng)率約為12.3%。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，中國(guó)將成為全球最大的機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在2030年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到260億美元，占到全球1/3。也就是說(shuō)，預(yù)計(jì)在2030年全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到780億美元。

在巨大的市場(chǎng)前景下，不少企業(yè)、高校等研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。而柔性機(jī)器人具備材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，能夠破除傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的僵硬和材料的剛強(qiáng)，有著更為良好的人機(jī)互動(dòng)性，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)商業(yè)運(yùn)用的主流趨勢(shì)之一。極智嘉聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO李洪波曾表示，柔性機(jī)器人系統(tǒng)蘊(yùn)含著巨大市場(chǎng)潛力，將會(huì)在智慧物流、智能制造、以及大家所能想象到的商業(yè)環(huán)境里，得到廣泛的應(yīng)用。

目前，柔性機(jī)器人主要的商用場(chǎng)景為工業(yè)和醫(yī)療。其中，醫(yī)療領(lǐng)域是柔性機(jī)器人典型性和商業(yè)度較高的應(yīng)用領(lǐng)域，潛力空間估值接近75億美元。
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在醫(yī)療機(jī)器人的柔性化運(yùn)用中，手術(shù)機(jī)器人的臨床性和產(chǎn)業(yè)化程度是當(dāng)前發(fā)展最快的。柔性化的醫(yī)療機(jī)器人能夠進(jìn)入人體四處移動(dòng)，提供照明，成為醫(yī)生的眼睛，甚至可以繞過(guò)想要避開(kāi)的區(qū)域。而著名的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，代表了柔性機(jī)器人在該領(lǐng)域的一定水平，其可自由運(yùn)動(dòng)的手臂腕部、3D高清影像技術(shù)、主控臺(tái)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)這三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)，分別對(duì)應(yīng)了柔性機(jī)器的機(jī)器感知、機(jī)器行動(dòng)和人機(jī)交互，可協(xié)助醫(yī)生在有限的狹窄空間工作，手術(shù)操作更精確。

對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的柔性機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)，隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新以及新材料相繼投入使用，工業(yè)機(jī)器人的類(lèi)人精細(xì)化操作能力不斷增強(qiáng)。如日本愛(ài)普生首款新型折疊手臂六軸機(jī)器人，可在現(xiàn)有同級(jí)別機(jī)械臂60%的工位空間內(nèi)完成靈活操作，采用內(nèi)部走線(xiàn)設(shè)計(jì)，自然進(jìn)入高層設(shè)備、機(jī)器、架子等狹窄空間，避免了在設(shè)置和維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行復(fù)雜的布線(xiàn)，大大提高了成本效率并保持較低的總運(yùn)行成本。

隨著機(jī)器人逐步應(yīng)用到各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)輕型化、柔性化、智能化的趨勢(shì)日益明顯。此次哈工大以象鼻為啟發(fā)而建立的氣動(dòng)人工肌肉的廣義彎曲行為模型，拓展了柔性機(jī)器人更多的可能性。由此可見(jiàn)，未來(lái)機(jī)器人將越來(lái)越靈巧、安全，且形式更多樣化，應(yīng)用范疇也更廣。
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