文|AI报道

如何有效利用柔体机器人的末端或者本体实现可达性和灵活性，是目前以及未来很长一段时间内，机器人技术领域亟需解决的问题。因为这直接决定着这项技术的应用场景和更多的可能性。

根据美国《Science Advances》杂志发表的一项最新研究成果显示，美科研人员日前开发出一种可远程控制的“变形机器人”，未来有望在生物医学、航天等领域得到广泛应用。

据悉，这种“变形机器人”由内嵌有磁铁微粒的聚合物构成，能够接受外部光和磁场的控制。正常条件下，机身材料是相对刚性的，但通过发光二极管加热，就会慢慢变得柔软，再通过磁场远程接受控制，能够改变自身形状，停止加热后就会恢复刚性，而固定为新的形状。

在测试中，美国北卡罗来纳州立大学和埃隆大学的研究人员将这种机器人制成用于提起和转运物体的“抓手”，也制成了悬臂。研究人员还将这种机器人折叠成了“花”，花瓣可以向不同的方向弯曲。

研究人员开发了一个设计软件，用于调整机器人形状、材料厚度以及磁场强度和方向等。论文作者、美国北卡罗来纳州立大学材料科学和工程学教授乔·特拉西说，可以远程控制机器人运动，并使其变化为特定形状，还能使其恢复原状并反复操作。这项技术未来有望在生物医学和航天领域得到应用。

刚体机器人存在的问题

美国十多年来一直都在研究和更新机器人发展路线，同时也提出过很多问题，其中比较突出的有两个问题：第一，机械手的灵巧性和操作性；另一个，新型机械手或机器人怎样更接近人的操作性能及功能。

这两个问题在之前更新的路线图中都有提到，并且也讲了其发展方向。但是随着时间推移，现在机械手及机器人的发展方向仍不明确，且几年发展路线有很多，各不相同。

上图显示了如果要做灵巧机械手，依靠传统刚体机器人的做法可以有怎样的发展。刚体机器人在过去几十年中一直是主要研究路线，这种机器人研究体系目前已经十分成熟，其中工业机器人的应用也得到了全面的发展。按照同样方式做与人体互动的机器人，或用到更特殊环境下的机器人，做出来的成果有可能并不完全适用。

工业机器人所依赖的是系统性技术，其中，刚体机器人通过机械原理构建一个机器，这个机器能够运动，再从刚体理论中把刚体去掉，换成真正的结构性材料，再把动力和驱动装置放进去（基本上都是电机驱动），最终形成由传感到控制的完整系统，也就是机器人。

从运动学的角度来看，1876年德国工程师勒洛就把机械原理（即刚体运动学）彻底理顺，然后写进《机械运动学》一书中。从蒸汽机发明以后，机器人的发展和机器的发展都依赖于刚体运动学的基础，然后把驱动、传感和控制完全建立起来，最终形成一个系统，使得今天有各式各样的自动化机器，包括汽车、火车，以及工业机器人，建立系统地做机器研究或机器生产的理论，这套理论已经非常成熟了。

软体机器人的需求

如果想让机器人做更多的事情，尤其是和环境或者人类实现互动，我们就会发现一个比较严峻的问题——刚体机器人在马达的驱动下惯性非常大，接触外界时就会发生强烈的冲击，存在安全隐患，同时，刚体和软体的环境互动也并不容易控制。因而，很难采用传统的刚体机器人做出新一类超出工业机器人需求的机器人。

从人体角度来看，我们肌肉的弹性系数基本上和橡胶硅类似，如果用橡胶硅来做软体机器人，从弹性的角度可以实现，于是开始尝试用软塑料一类的材料来做机器人，软体机器人就此开始变成一种全新的想法。而实际上这项工作还是相对比较新的，直到2012年左右，美国有几位教授使用气枪为塑胶通气，能够做出爬、跳等动作的软体机器人。有了这些前沿性、探索性的工作后，大家开始清楚看到软体机器人的市场前景，例如可以用来做医疗机器人、机穿戴机器人和器人玩具。

当然，我们还需要其它技术，比如传感技术、驱动技术。需要柔性传感器，也需要柔性驱动器。柔性传感器的材料已经有人做过一些研究，但做柔性驱动器就很困难。目前市场上有很多猜想，比如飞机的机翼不是现在的固定机翼，而是柔性的、可变形的机翼，如果做得好的话，相对空气动力学性能会更好，所以也会有更多其它的用处。随着3D打印技术的兴起，有可能出现更复杂的软体机器人材料。

软体机器人的发展需要仔细考虑以下几个问题：

1）学术角度来看，既然做软体机器人就需要软体材料，也会给你柔性互动的本体，里面可能有刚体，也有可能有像人一样的骨骼，刚体之间也有可能产生运动，我们在其中加入铰链机制；2）软体当中可以加入一些分布性的驱动器和传感器，因为有分布性的软体，如果有分布性的驱动器和传感器，柔性机器人的性能就会变得更好；

3）只有刚体骨架作为传感，外面的肉体是被动的皮肤和肌肉，互动性会低一点。

总体来讲，从学术角度来看，我们要把软体机器人看作和人一样的结构。其中会有很多问题，比如怎样做这些东西，最终还要看它能够给你的功能和性能。我们需要知道它的运动是手、是脚，还是车子，要看最终结构做成什么样。如果是一个手，我们就需要设计手指，让手指抓取物体；如果是一个驱动，就要做成脚。软体的部分需要包含在机器人的设计、传感和控制整体的框架当中，现在基本上没有很好的运动学理论，实际应用中仍然是把刚体运动学搬到柔性体当中。

软体机器人的市场潜力

虽然软体机器人在医疗、国防和急救领域有需求，但是真正最大的市场还是玩具，而且对行业最感兴趣的还是迪士尼，迪士尼投入了很多资金，但仍然很难实现。要找到一个合适的非线性模型，能够把这些软体材料描述得很确切很难。

目前业内非常期待通过3D打印来寻找适用于软体机器人的材料，3D打印的迅速发展也带来了一些机遇，我们可以把不同性能的材料混合起来使用，最终通过3D打印得到比较复杂的柔性系统（例如机械手指和机械腿）。不过，现在这种利用3D打印实现的柔性手指还是很柔软，抓起物体快速移动时，发现手指会抖动，也就是没有刚性。又要柔又要刚，所以就有性能变刚度，这种性能在柔性机构或者机器人中还是非常有限的，这也是一个比较严峻的问题。

平常机器人用的基本都是马达、气动或液压，因为这是传统大功率机器的驱动动力，要是应用到软体机器人的话，自然希望用软体的材料作为驱动器。最关键的软体材料就是压电塑性材料，这类材料有点像硅胶，通电后会扩展和延伸。

现在行业当中对软体机器人来讲，驱动材料是很大的瓶颈，气体驱动、液体驱动和压电驱动效果都不是很好，怎么才能有很好的驱动器才能帮助软体机器人的发展，这是很严峻的问题。

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