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人類更需要「溫柔」的機(jī)器人。
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提到機(jī)器人，你首先想到的是什么？大概是這樣的：
但不會(huì)是這個(gè)，對吧？
這一灘「史萊姆」來自上個(gè)月 Advanced Functional Materials 雜志上發(fā)表的一篇論文，是香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊(duì)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝暉教授團(tuán)隊(duì)的最新合作研究成果。
它是一個(gè)酷似「毒液」的磁性黏液機(jī)器人，由強(qiáng)釹磁鐵、硼砂和聚乙烯醇等材料混合制成的，基于非牛頓流體的磁驅(qū)動(dòng)。
這種軟體機(jī)器人（Soft robotics）具有很好的變形能力和環(huán)境適應(yīng)性，也可以通過卷曲行為來抓取和包裹物體，在臨床醫(yī)療領(lǐng)域中，特別是微創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物輸送等操作上有所應(yīng)用。
實(shí)際上，根據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會(huì)曾調(diào)查的數(shù)據(jù)，全球工業(yè)界只解決了 3%～4% 的規(guī)則與剛性物品的自動(dòng)化生產(chǎn)搬運(yùn)問題，剩余 96% 左右的柔性異形、易損物品仍只能使用人工上下料。
這意味著軟體機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿艽螅?020 年軟體機(jī)器人市值約 10.5 億美元，預(yù)計(jì)到 2026 年將達(dá)到 63.7 億美元，期間復(fù)合年增長率為 35.17%。
目前軟體機(jī)器人仍處于早期階段，但與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人具有多種優(yōu)勢，能夠在傳統(tǒng)剛體機(jī)器人之外，幫助人類做更多的事。
01
以柔克剛，
軟體機(jī)器人了解一下
軟體機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)的子集，與剛體機(jī)器人相比，它是和有機(jī)生命體的物理特征更相似的技術(shù)。專家將軟體機(jī)器人技術(shù)描述為仿生學(xué)的一種形式，其中機(jī)器人技術(shù)傳統(tǒng)的線性和有些生硬的方面被模仿人類和動(dòng)植物生命更復(fù)雜的模型所取代。
哈佛大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)的 Octobot
機(jī)器人一般由機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)組成，軟體機(jī)器人也同樣。它的本體部分利用柔軟材料制作，例如流體、凝膠和彈性體，其能夠與環(huán)境材料相匹配。順應(yīng)性匹配的原則是指相互接觸的材料應(yīng)具有相似的機(jī)械剛度，以便均勻地分布內(nèi)部載荷并，最大限度地減少界面應(yīng)力集中。
但是，該原理不適用于剛性機(jī)器人（E = 10^9 Pa）與軟質(zhì)材料（E = 10^2～10^6 Pa）相互作用，這會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞或機(jī)械固定（其中 E 是楊氏模量，它可以衡量固體材料的剛度）。很多脆弱的「環(huán)境材料」與軟質(zhì)材料的相互作用被廣泛傳播，比如天然皮膚，肌肉組織，脆弱的內(nèi)部器官，還有生物，生物功能的人工復(fù)制等 ……
由于機(jī)械順應(yīng)性的顯著失配，很容易得出一個(gè)結(jié)論：剛性機(jī)器人不適合人類親密互動(dòng)，否則會(huì)造成危險(xiǎn)。因此，需要一種與自然界中存在的材料和生物的彈性及流變特性相匹配的機(jī)器人，而這正是軟體機(jī)器人可以提供解決方案的地方。
軟體機(jī)器人與經(jīng)典機(jī)器人的比較｜elveflow
然而設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人時(shí)，傳統(tǒng)用金屬制造機(jī)器人的成熟方法就無法適用，需要從原理到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到驅(qū)動(dòng)、控制、傳感都采用全新的模式。這也是軟體機(jī)器人面臨的一大問題。
02
嗅覺、預(yù)案與拉鋸戰(zhàn)
軟體機(jī)器人的用武之地
因?yàn)檐涹w機(jī)器人是由符合生物物質(zhì)（如人類皮膚和組織）的材料組成的，所以它們在機(jī)械上具有生物相容性，能夠?qū)崿F(xiàn)栩栩如生的功能。這些材料還可以改變自身形狀和彈性硬度，不僅重量輕，而且足夠舒適、柔軟以防止受傷，適合與人親密接觸。
這些特點(diǎn)會(huì)讓軟體機(jī)器人在未來的社會(huì)、科學(xué)和工業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生大量有前途的新技術(shù)。
比如，一些軟外骨骼已經(jīng)研發(fā)出來，這種新型機(jī)器人對患有運(yùn)動(dòng)障礙（中風(fēng)、多發(fā)性硬化癥、帕金森病）的患者、老年人很有用，也可以幫助士兵、消防員、護(hù)理人員以及任何需要搬運(yùn)重物的人。
幾十年來，外骨骼采用剛性連接，與生物解剖結(jié)構(gòu)平行，以增加穿戴者的力量和耐力，同時(shí)保護(hù)他們免受身體壓力和傷害。然而，這些機(jī)器人不足以適應(yīng)人體平滑復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，而且很重且占用空間。取而代之的是，這些新型軟體可穿戴機(jī)器人采用氣動(dòng)空氣人工肌肉（pneumatic air artificial muscles）工作，符合人體運(yùn)動(dòng)，重量輕。
Wyss 研究所開發(fā)的外骨骼套裝就是這種輕量級(jí)設(shè)備的一個(gè)例子，它使用「柔軟的衣服」，不包含剛性元素，防止了穿戴者者的運(yùn)動(dòng)受到限制，并避免剛性外骨骼遇到的關(guān)節(jié)錯(cuò)位。
類似地，還有軟假肢。這些假肢由人工和天然肌肉提供動(dòng)力，并通過認(rèn)知命令、身體姿勢和機(jī)載感應(yīng)進(jìn)行控制。
不止于實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)領(lǐng)域也已經(jīng)誕生了一些初創(chuàng)公司。一家名叫 StartUs Insights 的公司使用科學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的觀察和篩選方法，從全球 69 個(gè)初創(chuàng)公司中挑選了 5 個(gè)有代表性的公司，我們不妨來看看它們各自的產(chǎn)業(yè)方向。
北京軟體機(jī)器人科技有限公司 ( SRT ) – 電子組裝
使用傳統(tǒng)機(jī)器人組裝和包裝手機(jī)、電路板等成品電子元件通常會(huì)在產(chǎn)品上留下劃痕。這就需要人工，從而增加了成本。軟機(jī)器人技術(shù)使機(jī)器人能夠復(fù)制人類在操作產(chǎn)品時(shí)的靈巧性，從而承擔(dān)這項(xiàng)工作。
Soft Robot Tech 提供基于軟體機(jī)器人技術(shù)的夾持裝置。這些固定裝置有助于處理各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品，例如消費(fèi)電子產(chǎn)品（尤其是手機(jī)）、化妝品、珠寶和食品。與剛性金屬夾具相比，它們的軟夾具可最大限度地減少表面劃痕。
SpectroPlast – 硅 3D 打印
軟機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)主要障礙是缺乏模仿人類皮膚柔軟觸感的表面。硅是開發(fā)柔軟觸感表面的一種常用材料，主要是因?yàn)樗撵`活性和 3D 打印的適應(yīng)性。它還提供了設(shè)計(jì)的幾何自由度并涉及快速的迭代周期。
瑞士初創(chuàng)公司 SpectroPlast 為不同的應(yīng)用打印基于硅的解決方案。他們使用立體光刻和增材制造來制造不同剛度的硅產(chǎn)品。除了軟體機(jī)器人，他們還生產(chǎn)醫(yī)療零件和工業(yè)部件的產(chǎn)品。
iCobots – 食品包裝
包裝雞蛋、水果和巧克力一類的食品通常需要人工勞動(dòng)。然而，農(nóng)產(chǎn)品的采摘和包裝過程也會(huì)不小心改變它們的自然質(zhì)地。軟體機(jī)器人技術(shù)的解決方案結(jié)合了機(jī)器人的速度和人類工人的柔軟觸摸，并在處理精細(xì)的食品中找到了應(yīng)用之處。
以色列初創(chuàng)公司 iCobots 為軟機(jī)器人提供即插即用解決方案。他們的解決方案與現(xiàn)有的機(jī)器人整合，將軟體機(jī)器人的力量帶給它們。他們的協(xié)作機(jī)器人處理多個(gè)行業(yè)的不同產(chǎn)品，特別是農(nóng)業(yè)。
Squishy Robotics – 災(zāi)難救援
一般來說，災(zāi)后最初的幾個(gè)小時(shí)對于搜索和救援是至關(guān)重要的。然而，救援人員到達(dá)現(xiàn)場往往需要時(shí)間。現(xiàn)場狀況還常常限制了他們在清理現(xiàn)場之前進(jìn)行有效搜索的能力。軟機(jī)器人具有靈活的結(jié)構(gòu)，能夠使救援人員到達(dá)廢墟下，而且，使用無人機(jī)很容易部署機(jī)器人。
Squishy Robotics 是一家總部位于美國的初創(chuàng)公司，致力于開發(fā)用于災(zāi)難救援的移動(dòng)感應(yīng)機(jī)器人。他們的機(jī)器人可以快速部署，即使是成群的機(jī)器人，在與救援人員互動(dòng)方面具有高度的協(xié)作性。他們順從和形狀變化的設(shè)計(jì)使他們能夠到達(dá)人類第一反應(yīng)者無法到達(dá)的空間。這些機(jī)器人裝備有傳感器，可以傳輸視覺、音頻、化學(xué)和生物信息。
Somnox – 機(jī)器人輔助醫(yī)療
在機(jī)器人輔助的醫(yī)療保健中，機(jī)器人引導(dǎo)病人完成重復(fù)性任務(wù)。這有助于傷后的康復(fù)，并鼓勵(lì)特定的行為，如成癮恢復(fù)或改善治療的依從性。軟機(jī)器人技術(shù)將剛性驅(qū)動(dòng)器或外骨骼與模仿人類行為的柔軟部件結(jié)合起來，并轉(zhuǎn)換機(jī)器人輔助護(hù)理。
Somnox 是一家荷蘭創(chuàng)業(yè)公司，提供軟機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新解決方案來提高睡眠質(zhì)量。他們的睡眠機(jī)器人幫助患有睡眠晝夜節(jié)律障礙的人更快更長時(shí)間入睡。它模擬呼吸模式，播放放松的聲音，并且安慰睡眠者作為上癮的安眠藥的替代品。
03
如何制造和驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人？
正是軟體機(jī)器人的應(yīng)用和研發(fā)，帶動(dòng)了材料、致動(dòng)技術(shù)的進(jìn)展，這才推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
軟體機(jī)器人當(dāng)前有幾種致動(dòng)模式，如燃燒驅(qū)動(dòng)致動(dòng)、光敏致動(dòng)和氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)致動(dòng)。其中，氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)致動(dòng)模式（Pneumatic Networks actuators, PneuNets）是目前大多數(shù)軟體機(jī)器人采用的驅(qū)動(dòng)模式。
驅(qū)動(dòng)器由軟材料，彈性體組成，在其中加壓流體可以在一系列通道和腔室內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)這些腔室受壓時(shí)，受限的流體會(huì)從材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)變，變形，并使致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)嵌入式腔室的幾何形狀及其壁的材料屬性，人們可以控制此運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。通常，流體彈性體機(jī)器人的每個(gè)部分都會(huì)彎曲，而這種彎曲是由于材料應(yīng)變引起的。
如果機(jī)器人由單個(gè)均質(zhì)的彈性體組成，則大多數(shù)膨脹將發(fā)生在最薄的結(jié)構(gòu)上，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將取決于微流體回路的幾何形狀。但是，具有不同彈性行為的材料也可以用于對致動(dòng)器行為的進(jìn)一步控制。
致動(dòng)器在受壓時(shí)彎曲變形｜成均館大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室
為了制造軟體機(jī)器人的本體部分，最常用的制造工藝是軟光刻成型，它依賴于在通過軟光刻或 3D 打印獲得的模具中鑄造彈性體。這種制造過程通常包括三個(gè)步驟：
軟體機(jī)器人由兩部分組成：外層，包含所需通道結(jié)構(gòu)的模型，以及約束層，呈現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)所需的不可擴(kuò)展特性（由于不同的剛度）。每層通過在每個(gè)模具中澆注硅橡膠而成型，并固化。
然后，將兩個(gè)固化層從它們的模具中取出，使用一層薄薄的未固化彈性體作為膠水連接，然后固化在一起。
最后，一旦固化完成，最終的致動(dòng)器就會(huì)從模具中取出。
顯然，有一些軟體機(jī)器人更復(fù)雜，創(chuàng)造它們需要更多工序，但從廣義上講，制造過程也類似。
軟體機(jī)器人的 3D 打印流程｜elveflow
過去，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人得到了輝煌的發(fā)展，但如今我們想讓機(jī)器人做更多的事，尤其是讓它們和環(huán)境與人類進(jìn)行互動(dòng)，很大程度上要轉(zhuǎn)向軟體機(jī)器人技術(shù)路線而實(shí)現(xiàn)。
每項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都有一定的背景，即既有需求又有相應(yīng)的技術(shù)可行性。「更軟」的機(jī)器人一直是人類所需要的，而它也正因科研和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而逐漸應(yīng)用到我們的生活中來。
