软体机器人的发展应用与展望

作者：李卓雨

来源：《科技传播》 2018年第23期

摘 要 软体机器人的设计灵感来源于对生物体内部构造的模仿。由于采用软体材料，与传统机器人相比，具有自由度高、连续变形能力强和环境适应性好等诸多优点，通常采用流体驱动等新型驱动方式。通过对软体机器人的发展历程、分类及其驱动方式等的研究，探讨软体机器人的应用场景，展望未来软体机器人的发展。

关键词 软体材料；流体驱动；软体机器人

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）224-0109-02

与传统的刚性机器人相比，软体机器人由于采用了柔韧性强的材料和仿生学设计，使它能更好实现弯折、扭曲等动作，甚至可以举起数倍于自身重量的物体。这些特性使其在人机交互、医学以及复杂环境下具有广泛的应用前景。例如作为内窥镜，可以利用它的高自由度来大大降低患者的不适感。因为其未来发展的无限可能，近年来对软体机器人的相关研究也越来越多。虽然软体机器人大规模商用的路途还很漫长，但因为其相比于传统刚性机器人具有无法比拟的优势，所以在未来大有可为。

1 软体机器人的发展综述

软体机器人的设计来源于仿生学。研究人员从软体动物身上得到启发，利用各种柔性材料打造了具备各种功能用途的软体机器人。近年来，随着控制学、机电学等技术的发展和新材料的不断出现，软体机器人研究也不断取得巨大进步。2007年，美国塔夫茨大学的研究人员发明了软体机器人GoQbot[1]，这个机器人的外观酷似毛毛虫，它能依靠身体的蠕动和伸缩进行前进，可用于通过核反应堆等危险区域。

2016 年，哈佛大学的研究人员发布了一款名为Octobot [2] 的软体机器人，该机器人解决了软体机器人在整合电源与控制硬件方面的难题，采用化学供能、流体驱动，具备有很高的自主性，是一款划时代的作品。

2017 年，上海交通大学完成了软体康复机器人手套，它与虚拟现实技术相结合，使传统枯燥的康复训练变得十分有趣，能大大降低患者心理上的负担。

2 软体机器人的分类及驱动

目前的软体机器人主要由柔软弹性材料制成，可在大范围内改变身形和尺寸，并以此作为动力，驱动前进。软体机器人按照驱动方式，可以分为物理驱动式、流体驱动式、电磁驱动式等。按照结构类型，软体机器人可以分为静水骨骼型、肌肉性静水骨骼型以及其它结构型[3]。按照受控方式，软体机器人可以分为点位控制型和连续控制型[4]。按照能量供给方式，软体机器人可以分为有缆驱动和无缆驱动式[4]。

软体机器人的驱动方式包括物理驱动、流体驱动和电磁驱动[5] 等。物理驱动通过内置形状记忆合金驱动器来实现。物理驱动具有驱动力大、能量密度高、弹性好、刚度可控等诸多优点，但是也存在响应速度慢、容易老化等缺点。气体驱动和液体驱动统称为流体驱动。该驱动方式通过变形气体、液体等，达到受控变形和运动的目的，具有功率密度高、响应速率快等优点，但存在流体泄露的问题。电磁驱动则可分为压电驱动和磁体驱动两大类，该种驱动方式响应速率快，但是承载能力差、控制复杂。

上述3 种是目前普遍采用的驱动方式，显然，它们都还没有达到理想的程度，理想的驱动应具有如下几类特质：

1）响应速率快，具有良好的伸缩性；

2）质量要轻，具有在复杂环境下的适应能力；

3）操作定位精准；

4）不会造成环境污染或者危及人身安全；

5）可维修指数高，且维修成本低廉；

驱动的实现是一个重大课题，随着研究的不断深入，未来软体机器人的驱动将越来越理想。

3 软体机器人的应用

软体机器应用空间广泛，包括以下3 个领域。人机交互领域的应用。在可穿戴设备日渐流行的今天，软体机器人若能与其结合，将会发挥很大的用处。例如，软体机器人可在将来被引入Applewatch、Microsoft Band 等智能可穿戴设备作为表带。因为软体机器人具有良好的延展性，可以通过App 对其进行调整，从而让使用者感受到最大的舒适度。软体玩具的出现也为软体机器人应用开辟了巨大市场，将软体机器人置入现有的玩具之中，将会大大增加玩具的趣味程度。另外，可穿戴辅助设备也是软体机器人的一个应用领域，例如机器人exosuit[6]，使用者穿戴这种像衣服一样的软体机器人，能辅助其运动。这项研究对于残疾人、老年人或者是学步的儿童都有很大的帮助。

医学领域的应用。软体机器人应用于医学领域，可作为假肢、人造外骨骼等可穿戴设备或用于模拟肌肉运动[7]。例如在微创手术（MIS）[8] 中，由于传统仪器自由度的限制，操作者的许多行为都会受限。若使用软体机器人，借助其极高的自由度，可以大大降低操作者的操作难度，并且因为它具有良好的柔软度，可以使患者的创伤达到最低。另外心脏包裹器也是软体机器人在医学领域中的一个重要应用。目前很多心脏病患者都依靠于心室辅助装置（VAD），但是此种治疗方式会导致患血栓的概率增加[9]。麻省理工学院（MIT）的研究人员在

ScienceTranslational Medicine 上描述的一种软体机器人能改变这种情况。目前该机器人已经可以被研究人员定置在心脏的一侧或者两侧进行有节律的压缩或者扭转。与VAD 相比，它还可以使患者被感染的风险大大降低。目前这项技术已经在一头成年猪上完成了试验，使其在心脏骤停的情况下依然正常的进行供血。随着未来软体机器人的不断发展及其在医学领域的广泛应用，更多的患者将会因此受益。

复杂环境下的应用。良好的自由度使得软体机器人在复杂环境下具有更多的优势。在军事领域，由于其良好的伸缩性，对复杂地域的适应性，它可以具有更好的隐蔽性，可以执行较高难度的军事勘察任务。在勘测救灾领域，软体机器人也有很大作用。例如斯坦福大学研究的机器人Kiss，它能通过空气加压使身体延长至原来的数十倍，能依靠灵活的身体轻松避开障碍物。若是在未来能够将其广泛应用于勘测领域，应急救援的效率能得到极大的提升。

4 软体机器人的展望

软体机器人的优势。传统机器人的刚性结构限制了其自由度，完成精细任务比较困难。而软体机器人良好的仿生结构，则可以轻而易举地完成夹起杯子，握住杯子，甚至是握住绣花针等高难度动作。由于其具有这些传统机器人所不具有的优势，市场对它的需求十分迫切。软体

机器人对地形的适应能力和忍受外界冲击的能力更强，即使是非结构的环境下也可以轻易完成工作，所以在国防、军事或者急救领域的广泛应用，可以让使用者的效率大幅提高。

软体机器人发展的关键问题。理论上软体机器人具有无限自由度，但它的机械运动原理以及软体相关运动理论还有待研究，这是使得软体机器人大众化必须要跨过的一道门槛。软体机器人对材料的要求非常苛刻，现有的材料大多都难以满足要求，新兴材料的研发过程又十分漫长。若是能找到较为适合软体机器人理念的材料，则会大大推动其的发展。此外，软体机器人发展至今仍未形成完整的体系，在结构、驱动、传感等方面，各个软体机器人都不一样。研究一个通用体系，解决驱动、反馈等设计问题，并使其控制简单高效，才能把软体机器人真正的大规模投入商用。

软体机器人发展的方向。软体机器人可以朝着如下几个方向进行研究。

1）新材料的研究。目前用于制造软体机器人的活性材料十分昂贵，且使用寿命、响应速率等都还存在缺陷，使得软体机器人难以大规模投入应用。一个重要的研究方向是通过3D 打印[10]、激光微加工等新技术去寻找理想的新材料

2）驱动器的研究。驱动器是软体机器人的核心，研究人员目前对于驱动器的研究还有待进步。可以尝试使用软体材料作为驱动器，例如采用压电塑性材料，其通电后能够膨胀，从而提供动能；或者硅胶，其在通电后的扩展可以为机器人带来机械能。这些都可以作为研究人员的研究目标。

3）传感控制的研究。软体机器人理论上的无限自由度是其重大优势。如何建立合适的模型，应用人工智能、强化仿生智能控制算法等新技术，使得有限的执行器与传感器能保证无限的自由度，这是未来研究的重点。

5 结论

随着经济社会的发展，在可穿戴设备、医疗康复、勘测救援等方面，对软体机器人的需求日益增大。在可预见的未来，软体机器人将逐步走进我们的工作生活当中。虽然目前还处在起步阶段，随着国家的日渐重视，软体机器人将不断发展并广泛应用，掀起机器人领域的一场变革。