軟體機器人

軟體機器人是一種新型柔軟機器人，能夠適應各種非結構化環境，與人類的互動也更安全。機器人本體利用柔軟材料製作，一般認為是楊氏模量低於人類肌肉的材料；區別於傳統機器人電機驅動，軟體機器人的驅動方式主要取決於所使用的智慧型材料；一般有介電彈性體（DE）、離子聚合物金屬複合材料（IPMC）、形狀記憶合金（SMA）、形狀記憶聚合物（SMP）等等，從回響的物理量暫時分為如下幾類：電場、壓力、磁場、化學反應、光、溫度。科學家依此設計了各種各樣的軟體機器人，大多數軟體機器人的設計是模仿自然界各種生物，如蚯蚓、章魚、水母等。

基本介紹

• 中文名：軟體機器人
• 外文名：Soft Robot
• 驅動方式：氣動、DEA、SMA、IPMC等

起源

科學家們從自然界汲取靈感，創造出遠比那些傳統的金屬制同類更加靈活和多功能的機器人。

美國哈佛大學的科學家們製造了一種新型柔韌機器人，它的身子非常柔軟，可以像蠕蟲一樣依靠蠕動在非常狹窄的空間裡活動。這個哈佛大學科研小組由化學家喬治 懷特塞茲(George M. Whitesides)率領，他們從魷魚，海星和其它沒有堅硬骨骼的動物身上獲得啟發，研製了一種小型的，有四條腿的橡皮機器人。

最近幾年，科學家們一直在嘗試和一些黏糊糊的，有時候甚至看上去模樣古怪的機器人設計概念打交道，他們希望能製造出一種新型機器人，它們將能夠鑽進那些依靠人力或傳統機器人難以企及的地方展開工作，如地震災區救援或者戰場偵察等等。在一份郵件採訪中，美國麻省理工學院的機器人專家馬修 沃爾特(Matthew Walter)說：“這種軟體機器人的柔韌性讓它們能夠得以進入傳統機器人無法抵達的狹小空間。”

今年早些時候，一個來自塔夫茨大學的小組展示了由他們開發的一種體長僅10厘米的蠕蟲機器人，它採用矽氧橡膠製成，可以爬進一個小球並在裡面推動小球向前滾動。

而此次哈佛大學的此項研究是在美國國防部的研究資助項目下進行的，有關進展本周一在《美國國家科學院院報》上作了發表。這個軟體機器人體長約12.7厘米，製造的過程花費了兩個月。其四肢可以各自獨立操控，通過人工或計算機自動控制將壓縮空氣輸入其肢體內進行相應驅動。這讓這種新型機器人具備了無法比擬的靈活性，可以自由地在地面爬行或者滑行。

研究人員對它進行了柔韌性測試：他們將一塊玻璃板置於距離地面不到1.9厘米的高度，並讓這個小機器人嘗試爬進底下。結果科學家們成功地控制這個機器人15次來回穿過了這個極其狹小的縫隙。並且在大多數情況下，它穿過整個玻璃板底部所花費的時間還不到1分鐘。

研究人員計畫進一步對其速度性能進行改進，不過他們對它沒有因為不斷發生的熱脹冷縮而損壞感到欣慰。哈佛大學的博士後羅伯特 謝普赫德(Robert Shepherd)說：“它足夠堅強。”他指出這種機器人可以適應各種表面材料並在上面正常運行，包括毛氈，沙礫，泥漿，甚至果凍。不過它也有缺陷：目前機器人必須依靠一條外接電源線供電，科學家們希望找到一種方法能夠實現電源內置，如此方能讓它投入實際套用之中。

塔夫茨大學的神經生物學家巴里 特里莫(Barry Trimmer)是該大學蠕蟲機器人項目團隊成員，他說：“在軟體機器人領域還有很多挑戰需要面對，對於這些問題的解決沒有捷徑可走。”

機器人專家卡莫 馬吉迪(Carmel Majidi)在卡內基 梅隆大學領導軟體機械實驗室，他認為儘管這一成果是基於之前的研究基礎，但是仍然極具創新。他說：“這是一種簡單的概念，但是看起來他們似乎很好的模擬了自然界的生物運動模式。”

簡介

軟體充氣機器人模型並不像機械機器人那樣先進，但是它們的柔軟身體中不包含任何電子裝置。充氣柔體機器人設計方是美國國防部高級研究計畫署(DARPA)的科學家，他們認為這種軟體機器人將是最好的工具。

美國波士頓大學化學家陳新(音譯)是該研究小組成員之一，他在2012年2月9日出版的《高級功能材料報》中描述稱，如果你想穿過一個彎曲的管子或者碎石，以及其他難以抵達的粗糙崎嶇環境表面，你將需要軟體機器人。這款機器人能夠完成許多傳統機械機器人所無法實現的功能，抵達一些特殊的環境。

傳統主流機器人是採用金屬和其他硬質材料製造，裝載連線電子儀器和元件。它們可以製造汽車、攜帶較重的物體裝置，甚至拆卸炸彈。然而，在一些特殊環境中，機器人的柔體結構是至關重要的。

原理

製造軟體機器人使用的是懷特賽德斯團隊發明的軟光刻技術。其生產過程是：藉助電子元件讓光照射模具的表面，致使覆蓋在圖案上一層薄薄的高分子膜曝光，以此溶解沒有圖案的區域。懷特賽德斯說：“這是一個非常成功的技術，它具有很高的解析度，相當小巧，但在批量化生產之前成本比較昂貴。”

軟體機器人模具

軟光刻技術是以柔軟聚合物模具為載體，這是一個相對比較簡單的製造過程。懷特賽德斯說：“我們可以使用平整的表面進行投射或輸出，也可以封住凹面以形成通道。”藉助微流體技術作用於通道，從注入空氣到產生運動，懷特賽德斯團隊的設計概念得到來提升：“考慮到通道的結構和空氣泵，這意味著它的彎曲可以成為軟體機器人的一個特性。”

設計

工程師現在從自然角度來考慮設計機器人，例如：基於昆蟲、鳥類、蛇、魚，甚至狗的特徵，來設計機器人模型。科學家已成功研製出空氣動力橡膠機器人，遇到障礙物時能夠像蛇一樣伸縮起伏身體。

從軟體機器人的四肢、軀幹以及內部格局來看，看似有點像一朵簡化的雪花，其中央“脊樑管”連線任意一個通道（分支）；機器人有兩層聚合物，一層延伸甚廣，一層堅不可摧。當空氣注入四肢後，具有彈性的腔體會像氣球一樣擴張，但腔體材料卻不舒展且四肢蜷縮。當彎曲時，藉助肢體與周圍摩擦力作用產生的橫向推力，整個身體可以不斷向前推進（在肢體驅動下，機器人可以爬行）。

軟體機器人“脊樑管

懷特賽德斯說：“這不是一個煞費苦心的概念，但實現這種運動是很不尋常的。在這些看似（四肢）很簡單的驅動下，從中你會看到非常有趣的運動。”他指出，雖然這種機器人的運動和構造確實很像海星似的軟體動物，但目的是模仿它的功能，而不是其機制。

材料

這種新型柔體機器人可採用合成紙質材料、纖維織物和金屬絲增強結構，具有矽膠外形。當它們模塑成型之後，該機器人與複雜的壓縮氣體源進行連線，例如：空氣注射泵。

功能

軟體機器人具有一些特殊的摺疊效果，使用正確的方法可以摺疊，在適當的地點粘合。

研究小組還使用汽缸來抽吸空氣至球體、管狀結構，來作為“剛硬”管材。未來研究人員希望在軟體機器人的基礎上增加配線和電子組件，從而使它更具功能性。