軟體機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用與展望

李卓雨

摘 要 軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于對(duì)生物體內(nèi)部構(gòu)造的模仿。由于采用軟體材料，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，具有自由度高、連續(xù)變形能力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，通常采用流體驅(qū)動(dòng)等新型驅(qū)動(dòng)方式。通過(guò)對(duì)軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程、分類及其驅(qū)動(dòng)方式等的研究，探討軟體機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景，展望未來(lái)軟體機(jī)器人的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 軟體材料；流體驅(qū)動(dòng)；軟體機(jī)器人

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）224-0109-02

與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人由于采用了柔韌性強(qiáng)的材料和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，使它能更好實(shí)現(xiàn)彎折、扭曲等動(dòng)作，甚至可以舉起數(shù)倍于自身重量的物體。這些特性使其在人機(jī)交互、醫(yī)學(xué)以及復(fù)雜環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景。例如作為內(nèi)窺鏡，可以利用它的高自由度來(lái)大大降低患者的不適感。因?yàn)槠湮磥?lái)發(fā)展的無(wú)限可能，近年來(lái)對(duì)軟體機(jī)器人的相關(guān)研究也越來(lái)越多。雖然軟體機(jī)器人大規(guī)模商用的路途還很漫長(zhǎng)，但因?yàn)槠湎啾扔趥鹘y(tǒng)剛性機(jī)器人具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，所以在未來(lái)大有可為。

1 軟體機(jī)器人的發(fā)展綜述

軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)來(lái)源于仿生學(xué)。研究人員從軟體動(dòng)物身上得到啟發(fā)，利用各種柔性材料打造了具備各種功能用途的軟體機(jī)器人。近年來(lái)，隨著控制學(xué)、機(jī)電學(xué)等技術(shù)的發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，軟體機(jī)器人研究也不斷取得巨大進(jìn)步。2007年，美國(guó)塔夫茨大學(xué)的研究人員發(fā)明了軟體機(jī)器人GoQbot[ 1 ]，這個(gè)機(jī)器人的外觀酷似毛毛蟲，它能依靠身體的蠕動(dòng)和伸縮進(jìn)行前進(jìn)，可用于通過(guò)核反應(yīng)堆等危險(xiǎn)區(qū)域。

2016年，哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)布了一款名為Octobot？[ 2 ]的軟體機(jī)器人，該機(jī)器人解決了軟體機(jī)器人在整合電源與控制硬件方面的難題，采用化學(xué)供能、流體驅(qū)動(dòng)，具備有很高的自主性，是一款劃時(shí)代的作品。

2017年，上海交通大學(xué)完成了軟體康復(fù)機(jī)器人手套，它與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)枯燥的康復(fù)訓(xùn)練變得十分有趣，能大大降低患者心理上的負(fù)擔(dān)。

2 軟體機(jī)器人的分類及驅(qū)動(dòng)

目前的軟體機(jī)器人主要由柔軟彈性材料制成，可在大范圍內(nèi)改變身形和尺寸，并以此作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。軟體機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)方式，可以分為物理驅(qū)動(dòng)式、流體驅(qū)動(dòng)式、電磁驅(qū)動(dòng)式等。按照結(jié)構(gòu)類型，軟體機(jī)器人可以分為靜水骨骼型、肌肉性靜水骨骼型以及其它結(jié)構(gòu)型[ 3 ]。按照受控方式，軟體機(jī)器人可以分為點(diǎn)位控制型和連續(xù)控制型[ 4 ]。按照能量供給方式，軟體機(jī)器人可以分為有纜驅(qū)動(dòng)和無(wú)纜驅(qū)動(dòng)式[ 4 ]。

軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式包括物理驅(qū)動(dòng)、流體驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)[ 5 ]等。物理驅(qū)動(dòng)通過(guò)內(nèi)置形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。物理驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)力大、能量密度高、彈性好、剛度可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在響應(yīng)速度慢、容易老化等缺點(diǎn)。氣體驅(qū)動(dòng)和液體驅(qū)動(dòng)統(tǒng)稱為流體驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式通過(guò)變形氣體、液體等，達(dá)到受控變形和運(yùn)動(dòng)的目的，具有功率密度高、響應(yīng)速率快等優(yōu)點(diǎn)，但存在流體泄露的問(wèn)題。電磁驅(qū)動(dòng)則可分為壓電驅(qū)動(dòng)和磁體驅(qū)動(dòng)兩大類，該種驅(qū)動(dòng)方式響應(yīng)速率快，但是承載能力差、控制復(fù)雜。

上述3種是目前普遍采用的驅(qū)動(dòng)方式，顯然，它們都還沒(méi)有達(dá)到理想的程度，理想的驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有如下幾類特質(zhì)：

1）響應(yīng)速率快，具有良好的伸縮性；

2）質(zhì)量要輕，具有在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力；

3）操作定位精準(zhǔn)；

4）不會(huì)造成環(huán)境污染或者危及人身安全；

5）可維修指數(shù)高，且維修成本低廉；

驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重大課題，隨著研究的不斷深入，未來(lái)軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)將越來(lái)越理想。

3 軟體機(jī)器人的應(yīng)用

軟體機(jī)器應(yīng)用空間廣泛，包括以下3個(gè)領(lǐng)域。人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用。在可穿戴設(shè)備日漸流行的今天，軟體機(jī)器人若能與其結(jié)合，將會(huì)發(fā)揮很大的用處。例如，軟體機(jī)器人可在將來(lái)被引入Apple？ watch、Microsoft？Band等智能可穿戴設(shè)備作為表帶。因?yàn)檐涹w機(jī)器人具有良好的延展性，可以通過(guò)App對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而讓使用者感受到最大的舒適度。軟體玩具的出現(xiàn)也為軟體機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)辟了巨大市場(chǎng)，將軟體機(jī)器人置入現(xiàn)有的玩具之中，將會(huì)大大增加玩具的趣味程度。另外，可穿戴輔助設(shè)備也是軟體機(jī)器人的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人exosuit[ 6 ]，使用者穿戴這種像衣服一樣的軟體機(jī)器人，能輔助其運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究對(duì)于殘疾人、老年人或者是學(xué)步的兒童都有很大的幫助。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。軟體機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可作為假肢、人造外骨骼等可穿戴設(shè)備或用于模擬肌肉運(yùn)動(dòng)[7]。例如在微創(chuàng)手術(shù)（MIS）[ 8 ]中，由于傳統(tǒng)儀器自由度的限制，操作者的許多行為都會(huì)受限。若使用軟體機(jī)器人，借助其極高的自由度，可以大大降低操作者的操作難度，并且因?yàn)樗哂辛己玫娜彳浂龋梢允够颊叩膭?chuàng)傷達(dá)到最低。另外心臟包裹器也是軟體機(jī)器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用。目前很多心臟病患者都依靠于心室輔助裝置（VAD），但是此種治療方式會(huì)導(dǎo)致患血栓的概率增加[ 9 ]。麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員在Science？ Translational？Medicine上描述的一種軟體機(jī)器人能改變這種情況。目前該機(jī)器人已經(jīng)可以被研究人員定置在心臟的一側(cè)或者兩側(cè)進(jìn)行有節(jié)律的壓縮或者扭轉(zhuǎn)。與VAD相比，它還可以使患者被感染的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在一頭成年豬上完成了試驗(yàn)，使其在心臟驟停的情況下依然正常的進(jìn)行供血。隨著未來(lái)軟體機(jī)器人的不斷發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，更多的患者將會(huì)因此受益。

復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。良好的自由度使得軟體機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下具有更多的優(yōu)勢(shì)。在軍事領(lǐng)域，由于其良好的伸縮性，對(duì)復(fù)雜地域的適應(yīng)性，它可以具有更好的隱蔽性，可以執(zhí)行較高難度的軍事勘察任務(wù)。在勘測(cè)救災(zāi)領(lǐng)域，軟體機(jī)器人也有很大作用。例如斯坦福大學(xué)研究的機(jī)器人Kiss，它能通過(guò)空氣加壓使身體延長(zhǎng)至原來(lái)的數(shù)十倍，能依靠靈活的身體輕松避開(kāi)障礙物。若是在未來(lái)能夠?qū)⑵鋸V泛應(yīng)用于勘測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)急救援的效率能得到極大的提升。

4 軟體機(jī)器人的展望

軟體機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)限制了其自由度，完成精細(xì)任務(wù)比較困難。而軟體機(jī)器人良好的仿生結(jié)構(gòu)，則可以輕而易舉地完成夾起杯子，握住杯子，甚至是握住繡花針等高難度動(dòng)作。由于其具有這些傳統(tǒng)機(jī)器人所不具有的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)對(duì)它的需求十分迫切。軟體機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)能力和忍受外界沖擊的能力更強(qiáng)，即使是非結(jié)構(gòu)的環(huán)境下也可以輕易完成工作，所以在國(guó)防、軍事或者急救領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以讓使用者的效率大幅提高。

軟體機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。理論上軟體機(jī)器人具有無(wú)限自由度，但它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理以及軟體相關(guān)運(yùn)動(dòng)理論還有待研究，這是使得軟體機(jī)器人大眾化必須要跨過(guò)的一道門檻。軟體機(jī)器人對(duì)材料的要求非常苛刻，現(xiàn)有的材料大多都難以滿足要求，新興材料的研發(fā)過(guò)程又十分漫長(zhǎng)。若是能找到較為適合軟體機(jī)器人理念的材料，則會(huì)大大推動(dòng)其的發(fā)展。此外，軟體機(jī)器人發(fā)展至今仍未形成完整的體系，在結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感等方面，各個(gè)軟體機(jī)器人都不一樣。研究一個(gè)通用體系，解決驅(qū)動(dòng)、反饋等設(shè)計(jì)問(wèn)題，并使其控制簡(jiǎn)單高效，才能把軟體機(jī)器人真正的大規(guī)模投入商用。

軟體機(jī)器人發(fā)展的方向。軟體機(jī)器人可以朝著如下幾個(gè)方向進(jìn)行研究。

1）新材料的研究。目前用于制造軟體機(jī)器人的活性材料十分昂貴，且使用壽命、響應(yīng)速率等都還存在缺陷，使得軟體機(jī)器人難以大規(guī)模投入應(yīng)用。一個(gè)重要的研究方向是通過(guò)3D打印[10]、激光微加工等新技術(shù)去尋找理想的新材料

2）驅(qū)動(dòng)器的研究。驅(qū)動(dòng)器是軟體機(jī)器人的核心，研究人員目前對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的研究還有待進(jìn)步。可以嘗試使用軟體材料作為驅(qū)動(dòng)器，例如采用壓電塑性材料，其通電后能夠膨脹，從而提供動(dòng)能；或者硅膠，其在通電后的擴(kuò)展可以為機(jī)器人帶來(lái)機(jī)械能。這些都可以作為研究人員的研究目標(biāo)。

3）傳感控制的研究。軟體機(jī)器人理論上的無(wú)限自由度是其重大優(yōu)勢(shì)。如何建立合適的模型，應(yīng)用人工智能、強(qiáng)化仿生智能控制算法等新技術(shù)，使得有限的執(zhí)行器與傳感器能保證無(wú)限的自由度，這是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，在可穿戴設(shè)備、醫(yī)療康復(fù)、勘測(cè)救援等方面，對(duì)軟體機(jī)器人的需求日益增大。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，軟體機(jī)器人將逐步走進(jìn)我們的工作生活當(dāng)中。雖然目前還處在起步階段，隨著國(guó)家的日漸重視，軟體機(jī)器人將不斷發(fā)展并廣泛應(yīng)用，掀起機(jī)器人領(lǐng)域的一場(chǎng)變革。

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