千奇百怪、腦洞大開(kāi)的柔性機(jī)器人，為什么一直距離市場(chǎng)有點(diǎn)遠(yuǎn)？

有這樣一種神奇的機(jī)器人，它可以做到這樣，

像藤蔓一樣自生長(zhǎng)，柔軟的身體延伸運(yùn)動(dòng)到各種角落；

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

當(dāng)然也有模仿其他魚(yú)類生物的水下機(jī)器人，柔軟的“魚(yú)鰭”如同真的魚(yú)兒一樣，在水中靈活運(yùn)動(dòng)。

而這些看似柔弱無(wú)骨的機(jī)器人，就是我們今天的主角——柔性機(jī)器人。

何為柔性機(jī)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(dòng)圖可以看出，柔性機(jī)器人其實(shí)就模仿了一些動(dòng)物外形。

當(dāng)然我們探討的柔性機(jī)器人概念比較窄，指的是完全由柔性材料構(gòu)成，沒(méi)有多余硬性結(jié)構(gòu)在其中，所以柔性機(jī)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(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系教授朱建也給出過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)性等。

斯坦福大學(xué)研究人員模仿葡萄藤生長(zhǎng)，發(fā)明出一款新型的柔性機(jī)器人，它能像葡萄藤一樣生長(zhǎng)，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(jī)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(yú)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(dòng)力，自己就能運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

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(dòng)的電子魚(yú)）》的文章，闡述了他們研發(fā)的一種柔性機(jī)器人，柔性的特征使得這條“電子魚(yú)”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?jiān)O(shè)計(jì)的柔性機(jī)器人

最近，來(lái)自凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員則開(kāi)發(fā)了一種基于折紙?jiān)O(shè)計(jì)的柔性機(jī)器人。

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

柔與剛不可兼得？如何讓機(jī)器人的身體柔若無(wú)骨

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

為了能夠達(dá)到高靈活性和可變形性，柔性機(jī)器人的構(gòu)成材料、驅(qū)動(dòng)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(jī)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(dòng)方式，目前比較常見(jiàn)的是通過(guò)3D打印材料來(lái)制作柔性機(jī)器人的“外殼”，例如用水凝膠制造出柔軟的膠狀機(jī)器人。

水凝膠材質(zhì)的軟體機(jī)器人

MIT的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就做了嘗試性的試驗(yàn)，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(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

再就是通過(guò)一些特殊的材料來(lái)打造類似于人造肌肉的材料，像電子動(dòng)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(dòng)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(dòng)作。

哈佛大學(xué)在這方面有不少研究突破，他們開(kāi)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(chǎng)作用于軟性材料時(shí)，就會(huì)發(fā)生變形。不過(guò)，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)方面會(huì)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(yùn)動(dòng)模式上任意切換。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。”

電力驅(qū)動(dòng)or氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，都還不是盡善盡美的解決方案

而在驅(qū)動(dòng)方式上，從材料的組成可以看出其實(shí)大部分還是通過(guò)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，相比于其他驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器擁有變形大、能量密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、價(jià)格低和噪音小的特性。但是這種驅(qū)動(dòng)方式也有很大的隱患，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度控制上有難度，另一方面，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)影響它在一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)然，還有一種氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，之前我們提到的哈佛大學(xué)推出的柔性章魚(yú)機(jī)器人Octobot ，就是通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)氧化氫分解化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，作為“燃料”的過(guò)氧化氫遇到鉑催化劑會(huì)產(chǎn)生水和氧氣，而氧氣增多會(huì)讓章魚(yú)體內(nèi)的壓強(qiáng)加大，經(jīng)過(guò)反復(fù)的切換讓其動(dòng)起來(lái)。

但是和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比，這種方式的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)比較慢，而且柔性機(jī)器人的變形也會(huì)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(jī)器人的研究難點(diǎn)很多，但它也是許多高校實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一大重點(diǎn)，因?yàn)閺膶?shí)用性來(lái)考量的話，這種柔性機(jī)器人非常適合一些“極端”的場(chǎng)景下，比如受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援：它可以進(jìn)入到一些危險(xiǎn)、狹小的地方；還有海底探索上，柔性機(jī)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(shí)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(jī)器人

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

結(jié)語(yǔ)：

簡(jiǎn)單梳理柔性機(jī)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(lái)的變革性變化，而文中列舉的很多實(shí)驗(yàn)室案例也表明柔性機(jī)器人的研究一直在進(jìn)行中，假以時(shí)日，等待相關(guān)技術(shù)的成熟，必然會(huì)在機(jī)器人行業(yè)大放異彩。

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