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    颠覆认知!软体机器人一定会有所作为

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    • 最近,美国普林斯顿大学的研究人员开发出一种新的方法来建造软体机器人(Soft Robot)。这种机器人主要依赖于一种叫做弹性体的液体聚合物,弹性体冷却后成为一种橡胶和弹性材料,并通过注射到一个模具中而被塑造;该模具可以有无数种形状,包括简单的饮管或复杂的形状,如螺旋形和其他。值得注意的是,他们的方法不需要3D打印机或其他昂贵的工具。有关专家认为,这种新型的软体机器人在不久的将来可用于医学领域,它也可用于其他领域。

      颠覆认知!软体机器人一定会有所作为

      仿“尺蠖”软体机器人(图片源自网络)

      在我们的传统认知中,机器人通常是由金属制造而成的机械,如在工厂环境中使用的类型。目前大部分的机器人都还是硬邦邦的“硬汉”形象出现在我们的视野之中,其实人们也在拓展自己的想象和创造力去开发像“大白”一样软萌的机器人。这种利用柔软材料来制作的机器人,被称为软体机器人,在研究领域颇受关注。但由于现在市场上流行的是机械类机器人,加之绝大部分的软体机器人都处于实验室阶段,在实际应用上还有待开发;因此,公众对软体机器人知之甚少也是情有可原。不过从发展趋势来看,软体机器人未来绝对大有可为。

      机器人的研发是为了协助或取代人类进行危险的工作,而机器人通常可分为硬体机器人(Hard Robot)和软体机器人两大类。虽然硬体机器人确实有其用武之地,但在有些情况下,软体机器人也更有用。当然我们探讨的软体机器人概念比较窄,指的是完全由柔性材料构成,没有多余硬性结构在其中,所以软体机器人必然具备三种特性:高灵活性、可变形性和能量吸收特性。新加坡国立大学的专家也给出过一个简单的概念,软体机器人的特性包括材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性、良好的人机互动性等。

      传统机器人以刚性结构为主,但存在环境适应能力差、灵活性有限等不足,在一些特殊的应用中,如复杂易碎物体抓持、狭窄空间作业等具有极大的挑战。资料显示,现有工业行业只解决了约3%-4%规则刚性物品自动化搬运问题,剩余约96%柔性、异形易损产品仍然需要人工搬运。源自软体动物仿生的软体机器人技术的出现令这些难题获得解决可能,软体机器人技术解决了人手简单重复劳动,可以合理成本实现如食品、农产品、异形工件安全抓取和搬运。据有关机构测算,软体机器人带来的全球市场规模超过9万亿美元。

      由于软体机器人的构成材料、驱动方式都很有讲究,传统的刚性连接器和外壳通常不适用;这就成了软体机器人研制的技术难点。首先是软体机器人的构成材料上,既要极易变形弯曲的柔软度,也必须要考虑到它的驱动方式,目前比较常见的是通过3D打印材料来制作软体机器人的“外壳”。例如美国麻省理工学院的一个研究团队就做了尝试性的试验,他们用 3D 打印和激光切割打造出水凝胶的外壳,实现机器人“身体”的“柔韧性”,然后通过液压驱动的方式驱动机器人的运动。

      再就是通过一些特殊的材料来打造类似于人造肌肉的材料,像电子动力聚合物(EAP)、形状记忆合金这样的物质都是人造肌肉的良好材料,以形状记忆合金为例,它可以根据温度自动改变形状,并且能够记住这些形状,实现弯曲、变短、抓取物体等动作。例如美国哈佛大学的研究人员在这方面有不少研究突破,他们开发出一种以碳纳米管为基础的人造肌肉,其中包含了“介电弹性体”,当电场作用于软性材料时,就会发生变形;不过,电场场强方面会比较难控制。

      而在驱动方式上,从材料的组成可以看出其实大部分还是通过电动驱动,相比于其他驱动方式,电动驱动器拥有变形大、能量密度高、结构紧凑、重量轻、价格低和噪音小的特性。但是这种驱动方式也有很大的隐患,机器人的运动精度控制上有难度,另一方面,如果驱动机器人运动所需的电场强度过高,也会影响它在一定范围内的运动。而与电动驱动相比,其他驱动方式的运动速度会比较慢,而且软体机器人的变形也会受到限制。

      此外,还有软体机器人的智能问题。有人担心软体机器人的智能会在将来超越人类,甚至控制我们。实际上,这种担心是完全没有必要的。其实早在1990年,国际知名学者周海中教授在《论机器人》一文中就指出:机器人在工作强度、运算速度和记忆功能方面可以超越人类,但在意识、推理等方面不可能超越人类。随着人工智能技术近年来的快速发展,软体机器人的智能将会得以提升;软体机器人在智能难题上也会得以解决,它将使人类的生活大大改观。

      尽管软体机器人的研制难点很多,但它也是许多实验室的一大重点,因为从实用性来考量的话,软体机器人非常适合一些“极端”的场景下,比如受灾现场的救援:它可以进入到一些危险、狭小的地方;还有海底探索上,软体机器人可以潜入到像珊瑚礁这样的海底生物内,在不伤害它们的同时去探索更多的海底秘密。例如中国浙江大学成功研制出一款仿生软体智能机器人,首次在世界最深的马里亚纳海沟实现了深海自主游动。

      软体机器人在医疗方面也是一大利器,如果医生想要针对人体内的某个器官对症下药,就可以通过软体机器人实现。例如瑞士联邦理工学院和苏黎世联邦理工学院的研究人员受细菌启发,研发出一种可以在体液中游动的柔性机器人,将来它或可把救命药物送到患者体内难以到达的地方;这种机器人具有生物相容性,能够根据需要改变其形状,并且可以在不影响速度的情况下通过狭窄的血管。

      近年来,研究人员更是在软体机器人的研制上乐此不疲,推出的成品也让人拍手叫绝;例如毛毛虫机器人、蠕虫机器人、尺蠖机器人、章鱼机器人等仿生的机器人,甚至还有微型软管机器人;这些千奇百怪的软体机器人都是通过仿生学实现其适应性、弹性与流变特性的。可以说,只有你想不到的软体机器人,没有他们研制不出的机器人。

      时代在不断进步,科技在不断发展;相信用不了多久,软体机器人在研发方面,就会有更多的成果传来。伴随着人类的想象力和创造力,或许软体机器人还将超乎我们的想象。目前绝大部分的软体机器人都处于实验室阶段,在实际应用上还有待开发;不过假以时日,这些软体机器人一定会有所作为。

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