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软体机器人的超能力
来源:学习时报    作者:张乃千    2017-12-06 10:39:00 
  一提起机器人,人们首先联想到的是电影《终结者》里由金属材料制成的机器人。日前,哈佛大学发明了全球首个全自动章鱼仿生软体机器人。软体机器人是采用特殊材料制成,可实现弯曲、扭转和变形的新型韧性机器人。相比于普通刚性机器人,软体机器人不包含任何电子元件,自带燃料的同时不需要电池供电,还具有自主运动、灵活变身、巧妙伪装等一系列超能力,或将在未来生物医学、救援探测和军事作战等领域发挥重要应用。
  “七十二变”如何以柔克刚
  由哈佛大学研制的名为“Octo
bot”的软体机器人,自带运动燃料,可通过调控内部气体实现自主运动,既不需要连接计算机获取指令,也不包含任何电子元件,不禁令人啧啧称奇。“Octobot”采用3D打印技术配合柔性材料制造,因而具备了完全柔软的“身体”。
  软体机器人采用的结构和材料包括硅胶、液晶等弹性物质,具有较高的自由度,不仅可以较好地适应外界环境,更可在外力作用下巧妙变身。软体机器人理论上具有无限多自由度,可实现灵活弯曲、扭转,即使遭受到外界撞击也不会对自身产生大的伤害,因而可在空间狭小、非结构化环境下完成常人难以匹敌的复杂任务。
  与使用复杂的电动或气压传动的刚性机器人不同的是,“八爪怪”软体机器人相当于一个气动导管,通过内部的化学反应产生大量气体聚集压缩,并利用气体的压强变化实现机械运动。如今,“八爪怪”软体机器人通过躯体内部集成的运动器和控制系统自主运动,真正实现了健步如飞乃至飞檐走壁。
  与普通机器人相比,软体机器人可通过内部化学物质实现颜色可变发光,并可通过充气增压和通道膨胀实现快速移动。目前研究的软体机器人可在30秒内迅速变身,一旦完成颜色转换,颜色层就不再需要动力来维持色彩,移动到特定位置后常常与背景难以区分。同时,一些软体机器人在设计之初就巧妙参照了仿生模型外观,利用3D打印工艺制造出来后简直可以“以假乱真”,肉眼不仔细观察真的难以分辨。
  掀起机器人家族的朵朵浪花
  曾经,科幻电影《变形金刚》中阴险狡诈的变形机器人令人印象深刻。软体机器人可采用3D打印方式制作,制备成本较低,未来更可实现快速大批量生产。由于软体机器人的动力系统不是依靠传统的硬质电动机或马达,而是靠类似人类肌肉一样在受到电刺激情况下会自主运动的高分子材料来实现,因此机体运动能力突出。同时,软体机器人可实现弯曲、扭转和抓起自身重量100多倍的物体,正在掀起机器人家族的朵朵浪花。
  在自然界中,软体动物广泛分布在海水、淡水以及陆地上,成为人们研究软体机器人的重要生物模型。现有的软体机器人大多参照自然界中的章鱼、海星等软体生物进行外观设置,相似度极高。希腊研究人员利用硅胶树脂研制出的章鱼机器人,放在水中移动时,甚至会有小鱼跟在身后游动。美国研究人员研制的“Go
QBot”软体机器人具有和毛毛虫一样的滚动弹射能力。哈佛大学研制的一种韧性机器人,身子非常柔软,可像蠕虫一般在异常狭小的空间里依靠蠕动而活动。欧盟资助的“章鱼触手”项目通过研究章鱼本体和触手的全局协同运动和控制机理,开发了可在水下工作的仿生章鱼触手,并形成了一套行之有效的控制方法。
  软体机器人堪称机器人家族的集大成者。由美国国防部高级研究计划局和哈佛大学联合研制的软硅胶材料机器人,不仅可通过自身变形穿过狭小的缝隙“无孔不入”,更能牢牢攀附在任何物体表面上,还可通过改变“皮肤色调”与周围环境融为一体。更令人惊叹的是,这款软体机器人可在黑暗处发光并改变自身温度,而它由于使用模具制造,设计成本只有不到100美元。
开启智能应用新时代
  虽然软体机器人目前仍处于萌芽和起步阶段,但它势必开启未来智能应用新时代。据估计,仅2016年用于维修和检测设备的软体机器人市场规模就已经达到3876亿元。随着软体机器人技术的进一步成熟,未来将可在生物医学、设备维修检测、救援探测和军事特种作战以及情报侦察等领域发挥重要作用。
  在军事领域,软体机器人未来可当大任。正是由于自身过于“软弱”,软体机器人才得以“以柔克刚”,在受到外界冲击和破坏时不易损伤,极大增强了其在复杂作战环境下的生存能力。同时,由于不具备电子元件,软体机器人在交错纵横的电磁侦察系统下较易躲避各类设备追踪。未来,加装了专业侦察设备甚至是作战武器的软体机器人,可承担各类侦察探测任务,更可在出其不意的条件下对敌人予以致命一击。
  在医学领域,“人小鬼大”的软体机器人还是当之无愧的医疗助手。软体机器人的硬度、柔软度和可拉伸程度与人体皮肤和肌肉较为接近,把它穿在身上或进行互动接触时亲和性较好。因此,软体机器人可作为假肢、人造外骨骼等可穿戴设备或用于模拟肌肉运动。同时,软体机器人在手术机器人领域的广泛应用,将可有效避免传统金属机器人对人体组织的破坏。
  目前,软体机器人离大规模应用仍存在不少技术难点。可自带燃料运动的软体机器人“八爪怪”,主要依靠体内携带的双氧水燃料进行供能,而一次携带的能量只能勉强支撑4~8分钟的运动。同时,现有的软体机器人自主转向能力几乎为零,急需加装额外传感器实现对障碍物的自动规避,这又涉及整个软体机器人控制系统的优化设计。
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