速度最快軟體機器人：受獵豹啟發，獨創具有彈簧動力的雙穩態脊柱

寇建超

北卡羅來納州立大學機械與航空工程系助理教授尹杰

疫情之下，由于人與人之間的社交隔離需求，長期的遠程工作使得機器人行業得到了前所未有的發展。

當前，大多數傳統機器人（剛性機器人）由硬質材料制成，輸出力量大、速度快且精度高，但傳統機器人結構復雜、靈活性很差，在一定程度上不能滿足人類的一些特定需求。與剛性機器人相比，軟體機器人具有高順應性、適應性和安全性等特點，在工業、農業、醫療、救災等領域都有廣闊的應用前景。

近年來，軟體機器人吸引了人們極大的研究興趣。由于軟體機器人的高安全性以及與人類、惡劣環境的自適應交互，軟體機器人具備傳統剛性機器人難以 “擁有” 的功能。比如，軟體機器人在執行抓取作業時因其自身的柔軟性而能改變自身形態，對一些易碎品和不規則物體進行抓取時，采取包裹形式的抓取，不會損壞物體。

但是，由于軟體材料的內在限制，要使軟體機器人具備高速移動和高強度操作等高性能特征，依然存在不小的挑戰。另外，新的軟體結構對材料和傳感技術的要求越來越高，現有的材料并不能完全滿足所要實現的功能，如何使材料擁有高度的柔順性和較高的剛度，依然是一個亟待解決的問題。

到目前為止，大多數軟體機器人在陸地和水下都表現出相對較慢的移動速度，軟機械臂的有效載荷能力也有限，遠低于動物和剛性機器人的運動速度和高強度操作。開發剛柔并濟的新材料、高效制造和精準控制是研究軟體機器人的未來方向。

獵豹是陸地上奔跑速度最快的生物，它們通過彎曲脊柱來獲得速度和力量。受獵豹的生物力學啟發，北卡羅萊納州立大學機械與航空工程系助理教授尹杰團隊，開發了一種新型軟體機器人——LEAP 機器人，無論是在固體表面，還是在水中，該機器人都比其他軟體機器人移動得更快，該機器人還可以輕松地抓取物體，也具有足夠大的力量舉起重物。相關研究論文已發表在《科學》子刊《科學·探索》上。

此外，軟體機器人通常被設計為用于移動或操作等單一目的，一個通用的軟體機器人，可以在不同的工作場景下服務于多個目的，大大提高其工作效率和功能多樣性。

LEAP 軟體 機 器 人 學習 獵 豹 的 奔跑方式

“LEAP 機器人最大的亮點是，它是一款如 ‘飛馳的獵豹 一般的軟體機器人，其速度比當前市場上最快的軟體機器人快 3 倍左右。” 尹杰說道。尹杰還表示，除了快速奔跑、抓取易碎物品、抬舉重物等，LEAP 機器人還可能用于膝關節的康復，以協助患者步行和跑步。

飛馳的小型 “獵豹”

一般情況下，高速運動的物體需要具有響應速度快、輸出動力大、應變儲能高、運動精度度高的特點。由于材料的柔軟性和結構的柔順性，軟體機器人通常表現出力量小、變形大和響應時間慢等特點，且軟體材料也難以快速儲存和釋放大量機械能。這就限制了軟體機器人在高速運動和高強度操作中的應用。

尹杰認為，“現有的軟機器人只是一個 ‘爬行器，它們始終與地面保持接觸，這限制了它們的速度。” 研究團隊受到獵豹的啟發，創造了一種具有彈簧動力、“雙穩態” 脊柱的軟體機器人，這種機器人具有兩種穩定狀態，可以通過將空氣泵入軟硅膠機器人內襯的通道中，在兩種穩定狀態之間快速切換，在幾十毫秒內快速存儲和釋放能量，使機器人可以快速對地面施加力。“這使得機器人能夠在地面上飛奔，這意味著它的腳離開了地面。” 據論文描述，當前最快的軟體機器人能以每秒 0.8 倍體長的速度在平坦的固體表面上移動，而 LEAP 機器人能在 3Hz 的低驅動頻率下以每秒 2.7 倍體長的速度 “飛馳”，快了 2 倍還多。

此外，LEAP 機器人還能在陡峭的斜坡上前進，這對那些向地面施加較小作用力的軟體機器人來說，可能會有很大的挑戰或根本不可能實現。研究人員還表示，LEAP 機器人的設計可以提高游泳速度，通過安裝一個“鰭”，LEAP 機器人能夠以每秒 0.78 個身長的速度游泳，而之前游泳軟體機器人的最快速度是每秒 0.7 個身長。

研究人員指出，這項工作可以作為一個 “概念證明”，他們認為可以通過修改原有設計使 LEAP 機器人更快、更強大。

“多功能” 軟體機器人

尹杰表示，除了論文內描述的快速搜索、救援等潛在的應用，由于 LEAP 機器人的優勢在于快速響應和由低到高的可調節動力，它在有高效率需求的場景中應用潛力巨大。

例如，在化妝品、食品和醫藥行業產品線上快速拾取和包裝易碎的移動物體。“我們還展示了幾個 LEAP 機器人如何一起工作來抓取物體。” 尹杰說：“通過調整 LEAP 機器人施加的力，可以舉起像雞蛋一樣易碎的物體，以及重達 10 公斤及以上的物體。”

這是截取的機器人運動速度影像畫面，最上方的機器人改進后速度優勢明顯

由于LEAP 機器人結合了剛性機器人的高動力和軟機器人的高順應性與安全性等優點，LEAP 機器人未來的商業化模式還可以跑步軟體機器人和康復軟體機器人。尹杰表示，LEAP 機器人還可能用于膝關節的康復，以協助患者步行和跑步。“LEAP 機器人通過‘脊椎的彎曲和伸展實現了快速奔跑，你也可以把它當作一個軟性關節，通過模擬膝關節來幫助病人行走。”

LEAP 機器人的優勢在于快速響應和由低到高、可調節的動力。在主動康復訓練中，機器人的輔助模式必須根據患者病情的不同進行相應的調整，實現個性化的訓練。比如，針對康復初期患者，其肌力較弱，一般需要機器人提供較大的驅動力輔助患者完成運動訓練;而隨著患者肌力的逐漸恢復，機器人可以逐步減小輔助力，并逐漸由助力轉化為阻力，以加大患者的訓練強度，改善康復效果。在下肢康復方面，主動康復訓練模式還需要進一步研究，包括進一步改善意圖識別精度、改善操作柔順性等。

據論文描述，這項研究建立了新一代高性能軟體機器人的通用設計范例，這種機器人將適用于多功能性、不同的驅動方法和多尺度的材料。

不足和期望

當前的 LEAP 機器人還存在一些缺點和不足。其中之一是，LEAP 機器人是一種由氣動空氣驅動的繩系機器人——要想在將來的現實生活中應用，它必須是一個不受束縛的自主機器人。對此，尹杰表示，利用其他遠程驅動實現 LEAP 機器人的變形和運動，可以解決這一問題。例如，通過將小型電源、傳感器和微控制器集成到 LEAP 機器人內部進行無線控制;或通過控制磁場用磁力驅動代替氣動驅動;再或者用溫度或光敏液晶聚合物等刺激響應型材料代替復合軟體材料。另一點在于如何控制軟體機器人的運動，因為要像精準控制剛性機器人的每個動作那樣，是很有挑戰性的。

目前的 LEAP 機器人只是一個長約 7 厘米，重約 45 克的 “袖珍” 產品。他希望未來的 LEAP 機器人具有更強的適應性，可大可小。既可以放大到人類和動物的大小，在速度上媲美真正的陸地動物，也可以縮小到昆蟲、甚至微型機器人的大小，用于人體內的快速藥物遞送或高效健康檢查。尹杰認為，隨著 5G 和人工智能等技術的快速發展，我們將在未來 3～5 年看到這些新興技術與機器人行業的融合，以實現更加智能的自主機器人。

當前，新冠肺炎大流行對各個行業造成了很大的影響，既有危機，也有機遇。未來，遠程工作將成為大多數行業的選擇，通過將工作轉移到線上，來減少現場工作人員之間的面對面交流。屆時會有大部分工作將通過遠程操控機器人來實現，這就為機器人產業創造了更多的機會，特別是將人工智能、5G、先進傳感器等技術和產品融合起來的智能機器人。（摘自美《深科技》）（編輯/諾伊克）