机器人太“硬”？“软萌”柔性机器人了解一下

老钟安防观察 · 发表于 2019-4-4 11:24:14

　　说起机器人，大家可能想到的是科幻世界或者电影里面的机器人，也可能是知名的波士顿动力，或者是Google旗下的Atlas，甚至是新闻机器人主播。但是你知道柔性机器人吗?

　　这个时候有人可能就会出现问号脸：机器人不都是冷冰冰的“钢铁直男”?还有柔软的机器人?怕不是我对机器人有什么误解?

　　实际上，机器人的研发是为了协助或取代人类进行危险的工作，目前大部分的机器人都还是硬邦邦的“硬汉”形象。人们也在拓展自己的想象和创造力，去开发像“大白”一样软萌的机器人。这种利用柔软材料来制作的机器人，被称为柔性机器人，在研究领域颇受关注。

　　但由于现在市场上流行的是机械类机器人，加之绝大部分的软体机器人都处于实验室阶段，在实际应用上还有待开发。因此公众对柔性机器人知之甚少也是情有可原。不过从目前的发展趋势来看，柔性机器人未来绝对大有可为。

　　柔性机器人

　　柔性机器人通常是利用软体材料制成，凭借其在机体上柔性的优势，在场景上也更加灵活。它可以更好适应各种环境，受到外界冲击后也不会产生大的伤害，在空间狭小、非结构下的环境下都可以完成复杂的任务，例如医疗、军事及探测领域。

　　科学家们一般从自然界汲取灵感，创造出远比那些传统的金属制同类更加灵活和多功能的机器人。

　　我国现有的柔性机器人共分为两种，一种是应用于工业制造的的工业柔性机器人;另一种是应用于仿生机器人的生物柔性机器人，也叫做软体机器人。目前来看，工业柔性机器人在国内的应用更为广泛。而生物柔性机器人的研究范围更广。

　　工业柔性机器人：从制造业的角度来讲，柔性机器人是指运用机器视觉的六轴以上的工业机器人，比如工业上使用的机器人手臂。德国一家自动化公司曾开发出了一款可抓取异形物体的柔性夹具。

　　相对于功能比较单一的传统工业机器人来讲，工业柔性机器人借助于相机，光源，图像采集卡，视觉软件等机器感知部件，通过图像采集，图像处理，运动控制来完成一系列复杂的动作。正是由于近几年视觉机器的快速发展，才让柔性机器人在制造业领域大限神威目前已经形成FMS系统。

　　生物柔性机器人：从生物学角度来讲，柔性机器人是指模拟生物的柔性与灵活性创造的仿生机器人。比如毛毛虫机器人，它们“柔若无骨”。

　　与传统“刚性”机器人相比，柔性机器人通常：

　　1. 它的模型大多来自于自然界的软体生物，如机器蛇、海洋水生动物机器人等。

　　2. 机器人材料的选择主要是柔性的材料，而不是传统的刚性连接器和外壳，这种材料带来的优势是可用最简单的方法——3D打印的方式来制作，非常节约时间和成本。

　　3. 在驱动方式方面，目前的研究机构主要有两个方向：第一个方法是模仿人或者动物的肌肉的运动原理，第二种就是利用环境的变化来获取动力，比如温度、空气以及光照等方式。

　　千奇百怪的柔性机器人

　　从2011年开始，研究员们更是在软体机器人的研究上乐此不疲，推出的研究成品也让人拍手叫绝，毛毛虫机器人、蠕虫机器人、章鱼机器人等仿生的机器人，甚至还有微型软管机器人，可以说只有你想不到的软体机器人，没有他们研究不出的机器人。

　　1. “毛毛虫”机器人

　　美国塔夫茨大学在软体机器人上的研究较早，他们在2007年就开始启动一项计划，设计一款具有电子原价和线路的“毛毛虫”机器人。毛毛虫机器人设计的初衷是，使其可替代人通过危险的区域，如核反应堆、雷场或是替代人类维修太空飞行器的太阳能电池板。2011年，这款机器人终于面世了，研究员们为其命名GoQBot，因其在运动时可将身体蜷缩成Q形，滚动速度达每秒0.5米。

　　2. 网眼蠕虫机器人

　　“网眼蠕虫”又名：“人造肌肉”是由美国麻省理工学院、哈佛大学和韩国首尔国立大学研究人员设计出一种模仿蠕动机制的机器人。由于组成它身体的弹性管子是网眼状，于是科学家给它取名“网眼蠕虫”机器人。

　　这种机器人能够通过收缩部分躯体，像蚯蚓一样在表面上蠕动。可爬进微小的空间中拍摄视频信息，并进行实时传送，成为一种高科技超级间谍机器，在无法察觉的地方窃取秘密图像和视频。这种几乎全用软材料制造的机器人有很强的弹力。即使被踩到或用铁锤重击，它也不会受伤，仍会继续向前缓慢移动。

　　3. 软体机器鱼

　　2014年美国发明了一款软体机器鱼，不仅防水，而且还能模拟快速游动的鱼类。它由硅橡胶制成，能够瞬间改变移动方向，这是首个能够快速移动身体的独立自控软体机器人。机器鱼通过释放腹小罐的二氧化碳提供动力，将通过波状通道使机器鱼尾发生弯曲，在二氧化碳罐耗尽之前机器鱼能够实现30次游动。

　　4. 可折叠机器人

　　去年，MIT、谢菲尔德大学及东京工业大学共同研发出一种可折叠机器人。它能遇热自动伸展，可以作为医用胶囊，通过外部的磁铁控制其行动方向，它可以爬进胃里，将用户误吞食的电池取出，甚至修补人体内的破洞。

　　5. 达芬奇手术机器人

　　美国的达芬奇手术机器人是目前比较先进成熟的柔性机器人。它由医生控制系统，三维成像视频影像平台，机械臂摄影臂和手术器械组成移动平台三部分组成。实施手术时医生不需要与病人接触，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制，由机械臂以及手术器械模拟完成医生的技术动作和手术操作。

　　6. 会生长的仿藤机器人

　　研究人员开发出一种全新的仿藤机器人，能够在不移动整个身体的情况下，长距离生长，并能蛇形蜿蜒。研究人员表示之所以研发出柔性机器人是受到自然的启示。生物具有生长的特性，无论是藤蔓、真菌还是人脑内的神经细胞，都能通过软性延展来覆盖距离，那么仿生装置应该也可以。这种柔性机器人设计允许在复杂的非结构化环境中避开障碍，这有望在管道和导管、医疗设备以及探索和搜救机器人中进行导航。

　　7. 柔性纳米机器人

　　瑞士联邦理工学院(EPFL)苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员受细菌启发，研发出一种可以在体液中游动的柔性机器人，将来它或可把救命药物送到你体内难以到达的地方。这种机器人具有生物相容性，能够根据需要改变形状，并且可以在不影响速度的情况下通过狭窄的血管。

　　柔性机器人研发难点、痛点

　　柔性机器人的发展目前还处于初级阶段，未来有很长的路要走，在这一过程中仍有许多难点需要克服，这些困难主要来自于新材料的研究与升级。

　　工业柔性机器人为了保障其更高的柔性化作业，实现无障碍的人机协作，确保最佳的安全性与适应性，需要不断提升对材料的升级应用，通过3D打印等方式寻找新材料或是首要任务。

　　而生物柔性机器人则面临两大主要难题，一个是驱动力，另一个也是材料。这里的材料有别于工业柔性机器人，着重体现在仿生中对皮肤和肌肉等构造的打造。比起工业柔性机器人，生物柔性机器人在材料方面的开发更加困难。

　　其次在驱动方式上，从材料的组成可以看出其实大部分还是通过电动驱动，相比于其他驱动方式，电动驱动器拥有变形大、能量密度高、结构紧凑、重量轻、价格低和噪音小的特性。但是这种驱动方式也有很大的隐患，机器人的运动精度控制上有难度，另一方面，如果驱动机器人运动所需的电场强度过高，也会影响它在一定范围内的运动。

　　虽然应用前景广泛，但目前还在纸上谈兵阶段

　　尽管柔性机器人的研究难点很多，但它也是许多高校实验室研发的一大重点，因为从实用性来考量的话，这种柔性机器人非常适合一些“极端”的场景下，比如受灾现场的救援：它可以进入到一些危险、狭小的地方;还有海底探索上，柔性机器人可以潜入到像珊瑚礁这样的海底生物内，在不伤害它们的同时去探索更多的海底秘密。

　　柔性机器人的应用目前集中在2大领域，分别是工业和医疗。当前，对于柔性机器人的商业应用来说，主要集中在两大领域，即工业和医疗，两者都具有很大的需求空间。以医疗为例，专家分析，柔性化的手术机器人在国内潜在市场空间约为136亿元/年。

　　至于工业机器人，随着人机协作的深入推广，它在工业生产中的重要性也随之凸显，未来市场需求只会与日俱增，其空间广阔成都丝毫不亚于生物柔性机器人。

　　但是目前绝大部分的软体机器人都处于实验室阶段，在实际应用上还有待开发。不过假以时日，这些柔性机器人一定会有所作为。

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