千奇百怪、腦洞大開的柔性機器人，為什么一直距離市場有點遠？

有這樣一種神奇的機器人，它可以做到這樣，

像藤蔓一樣自生長，柔軟的身體延伸運動到各種角落；

或者像章魚一樣，整個身體沒有任何硬性的結(jié)構(gòu)組織，就像《超能陸戰(zhàn)隊》里的大白；

當(dāng)然也有模仿其他魚類生物的水下機器人，柔軟的“魚鰭”如同真的魚兒一樣，在水中靈活運動。

而這些看似柔弱無骨的機器人，就是我們今天的主角——柔性機器人。

何為柔性機器人？

自然界的很多生物都有自己的柔性和靈活性，從上面的幾張動圖可以看出，柔性機器人其實就模仿了一些動物外形。

當(dāng)然我們探討的柔性機器人概念比較窄，指的是完全由柔性材料構(gòu)成，沒有多余硬性結(jié)構(gòu)在其中，所以柔性機器人必然具備三種特性：高靈活性、可變形性和能量吸收特性。

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

斯坦福大學(xué)研究人員模仿葡萄藤生長，發(fā)明出一款新型的柔性機器人，它能像葡萄藤一樣生長，在廢墟瓦礫中穿梭，找到被困的幸存者，甚至向他們送水。

柔性機器人 “Octobot”

哈佛大學(xué)的研究者們此前展示了他們的最新研究成果：一款章魚形狀的完全柔性機器人 “Octobot”。這款機器人全身都由軟軟的柔性材料構(gòu)成，不需要外接動力，自己就能運動起來。

浙江大學(xué)的李鐵風(fēng)教授及其他研究人員此前在《Science》發(fā)表了一篇名為《Fast-moving soft electronic fish（快速移動的電子魚）》的文章，闡述了他們研發(fā)的一種柔性機器人，柔性的特征使得這條“電子魚”得以在狹小的空間內(nèi)航行，拓寬了它們能夠行駛的空間。

基于折紙設(shè)計的柔性機器人

最近，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)計的柔性機器人。

無論是國外的麻省理工、哈佛大學(xué)還是國內(nèi)的清華、浙大，研究學(xué)者們都在尋求柔性機器人技術(shù)的突破口。毫不夸張的說，如果想要同時滿足這些特性，技術(shù)難題很多，所以這也是為什么柔性機器人的技術(shù)一直處在實驗樣機階段。

柔與剛不可兼得？如何讓機器人的身體柔若無骨

為什么一直沒有成熟的柔性機器人推向市場，這就不得不提到它的技術(shù)難點。

為了能夠達到高靈活性和可變形性，柔性機器人的構(gòu)成材料、驅(qū)動方式都很有講究，傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼完全不適用。

首先是柔性機器人的構(gòu)成材料上，既要極易變形彎曲的柔軟度，也必須要考慮到它的驅(qū)動方式，目前比較常見的是通過3D打印材料來制作柔性機器人的“外殼”，例如用水凝膠制造出柔軟的膠狀機器人。

水凝膠材質(zhì)的軟體機器人

MIT的一個研究團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，實現(xiàn)“身體”的“柔韌性”，然后通過液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機器人的運動。

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，像電子動力聚合物（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，實現(xiàn)彎曲、變短、抓取物體等動作。

哈佛大學(xué)在這方面有不少研究突破，他們開發(fā)出一種以碳納米管為基礎(chǔ)的人造肌肉，其中包含了“介電彈性體”，當(dāng)電場作用于軟性材料時，就會發(fā)生變形。不過，電場場強方面會比較難控制。

除此之外，還有一種新興的功能材料室溫液態(tài)金屬，這種材料在 電、磁、力、熱的作用下，可以在不同的形態(tài)和運動模式上任意切換。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)金屬可變形機器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望促成柔性機器理論與技術(shù)取得重大突破。”

電力驅(qū)動or氣動驅(qū)動，都還不是盡善盡美的解決方案

而在驅(qū)動方式上，從材料的組成可以看出其實大部分還是通過電動驅(qū)動，相比于其他驅(qū)動方式，電動驅(qū)動器擁有變形大、能量密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、價格低和噪音小的特性。但是這種驅(qū)動方式也有很大的隱患，機器人的運動精度控制上有難度，另一方面，如果驅(qū)動機器人運動所需的電場強度過高，也會影響它在一定范圍內(nèi)的運動。

當(dāng)然，還有一種氣動驅(qū)動方式，之前我們提到的哈佛大學(xué)推出的柔性章魚機器人Octobot ，就是通過簡單的過氧化氫分解化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)運動，作為“燃料”的過氧化氫遇到鉑催化劑會產(chǎn)生水和氧氣，而氧氣增多會讓章魚體內(nèi)的壓強加大，經(jīng)過反復(fù)的切換讓其動起來。

但是和電動驅(qū)動相比，這種方式的運動速度會比較慢，而且柔性機器人的變形也會受到限制。

雖然應(yīng)用前景廣泛，但目前還在紙上談兵階段

盡管柔性機器人的研究難點很多，但它也是許多高校實驗室研發(fā)的一大重點，因為從實用性來考量的話，這種柔性機器人非常適合一些“極端”的場景下，比如受災(zāi)現(xiàn)場的救援：它可以進入到一些危險、狹小的地方；還有海底探索上，柔性機器人可以潛入到像珊瑚礁這樣的海底生物內(nèi)，在不傷害它們的同時去探索更多的海底秘密。

哈佛大學(xué)發(fā)布的可植入軟體機器人

醫(yī)療方面，柔性機器人也是一大利器，如果醫(yī)生想要針對人體內(nèi)的某個器官對癥下藥，就可以通過柔性機器人實現(xiàn)，科羅拉多大學(xué)博爾德分校實驗室的機械工程師Franck Vernerey就研制出了專門用于醫(yī)藥治療的軟體機器人。另外，在他還看來，醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的機器人，只能以軟體蠕動的形式構(gòu)造。

結(jié)語：

簡單梳理柔性機器人的概念之后，鎂客君非常期待它落地應(yīng)用后給我們生活帶來的變革性變化，而文中列舉的很多實驗室案例也表明柔性機器人的研究一直在進行中，假以時日，等待相關(guān)技術(shù)的成熟，必然會在機器人行業(yè)大放異彩。

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