軟體機器人研究發(fā)展綜述

劉璟+張益峰+王子又

摘 要：軟體機器人是一類新型仿生連續(xù)體機器人， 可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)，在生物工程、救災救援、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務、勘探勘測等領(lǐng)域均有廣泛應用。其結(jié)構(gòu)模仿生物的流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶合金、化學驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等驅(qū)動方式將其他形式能轉(zhuǎn)化為機械能。但還沒有可以通用的控制算法適用于所有軟體機器人，建模仍是一大難點。綜述了軟體機器人結(jié)構(gòu)機理、驅(qū)動方式等問題，并通過分析和梳理軟體機器人的發(fā)展歷程，分析了軟體機器人未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機器人 建模結(jié)構(gòu) 機理

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0118-02

機器人已廣泛應用于諸多領(lǐng)域，但傳統(tǒng)機器人的結(jié)構(gòu)剛性強，環(huán)境適應性差。為克服在狹窄空間內(nèi)運動受到限制的缺點，科學家們從自然界汲取靈感，創(chuàng)造出遠比那些傳統(tǒng)的金屬制同類更加靈活和多功能的軟體機器人。

軟體機器人的設計靈感來自于廣泛存在在自然界中的各種軟體動物，因其主要材料為柔軟材料，理論上自由度為無窮，并可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)。該文介紹了軟體機器人結(jié)構(gòu)機理、驅(qū)動方式、控制方法及攻克難點等問題，并通過分析和梳理軟體機器人的發(fā)展歷程，分析了軟體機器人未來的發(fā)展方向。

1 研究現(xiàn)狀

軟體機器人是仿生機器人研究的后續(xù)，已引起各國的高度重視。

目前典型的軟體機器人有麻省理工學院、哈佛大學所研發(fā)的Meshworm機器人，可以使用SMA模擬蚯蚓蠕動并能抵抗強的沖擊[1]；意大利LASCHI等正在研制的仿生章魚；康奈爾大學的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機器人；弗吉尼亞大學研發(fā)的仿生蝠鲼機器魚通過離子交換聚合金屬材料驅(qū)動，具有切換不同運動模式的能力。

2 結(jié)構(gòu)機理

2.1 蠕蟲

蠕蟲并不具有剛性骨骼，它的身體主要部分是表皮、肌肉、體液和神經(jīng)系統(tǒng)。蠕蟲并不通過骨骼傳遞力，而是通過封閉流體產(chǎn)生靜壓力，它的軀體屬于流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)。以蚯蚓為例，全身體積的40%為肌肉，它的肌肉屬于斜紋肌，由斜紋肉構(gòu)成封閉腔，內(nèi)部充滿體液。而體液限制了體積的變化，所以當肌肉收縮時，會在另一方向上有相應的長度變化，與腸蠕動過程類似?？v肌和環(huán)肌通過收縮改變直徑的大小，由此蠕蟲在每個體節(jié)間運動肌肉，借由行進波來完成身體的變形和移動。

2.2 頭足類動物

頭足類動物（如章魚、魷魚、墨魚等）具有進行高難度的柔性運動的能力。在一定范圍內(nèi)，每只觸手都可以隨意彎曲，配合空間改變身體長度[2]。章魚觸手是肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，橫向和軸向肌肉分別控制觸手的伸長和縮短，在行動過程中由沿觸手分布的神經(jīng)系統(tǒng)進行指令的傳達，中樞神經(jīng)系統(tǒng)并非主要控制系統(tǒng)，由此可知，身體與環(huán)境之間的信息反饋交互會導致相應的自主運動。歐洲的項目進行了仿真章魚的相關(guān)研究，由LASCHI負責組織協(xié)調(diào)[2]。

3 驅(qū)動方式

3.1 形狀記憶合金驅(qū)動

形狀記憶合金（SMA），其特點是溫度達到一定臨界值時可以使其在較低溫時產(chǎn)生的形變消失。作為一種智能合金材料和柔性驅(qū)動器材料，也可應用于智能材料驅(qū)動器中，但仍需考慮怎樣將其完美嵌入基礎材料的基底。但是形狀記憶合金絲產(chǎn)生的應力受溫度變化影響較大，它的熱力耦合行為源于材料本身的相變。除了溫度因素，形狀記憶合金中馬氏體的相變也可以正相關(guān)地由應力引起。形狀記憶合金致動器一般為絲狀或薄片狀，為增加驅(qū)動范圍，可將其變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)。

麻省理工學院首先開發(fā)出Meshworm[1]，一種仿生蚯蚓機器人，之后研究者開始普遍采用其作為驅(qū)動器。Tufts大學實驗室研發(fā)的仿生毛蟲機器人GoQBot也由SMA驅(qū)動，研究者使用表面微加工技術(shù)，在6 μm厚的聚酰亞胺基底上嵌入SMA絲。

3.2 化學驅(qū)動

化學驅(qū)動是化學驅(qū)動機器人名字的由來，化學反應是其本質(zhì)，使機器人完成動作的機械能來源于化學能。

其中一種化學能驅(qū)動的形式是用特殊材料（一般是凝膠）制成軟體機器人，水凝膠是一種智能驅(qū)動材料，在柔性機器人中被大量應用。通過物理或化學作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，親水性的功能高分子可以吸水溶脹，從而產(chǎn)生水凝膠，其形變是隨著外部環(huán)境的改變而變化的。早稻田大學NAKAMARU實驗室研制了一種仿生尺蠖[3]，其特點是具有蠕蟲的運動模式，原理是將由凝膠制成的弧形帶狀結(jié)構(gòu)置于混合溶液中，基于化學反應凝膠產(chǎn)生伸縮變化，自震動使其運動。

3.3 氣動驅(qū)動

氣動軟體機器人是指通過在結(jié)構(gòu)中充氣，利用氣壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或者運動，從而實現(xiàn)驅(qū)動的一類軟體機器人。氣動驅(qū)動技術(shù)成熟，反應速度較快，功率密度高，但一般驅(qū)動設備體積大，受輔助系統(tǒng)的限制。

哈佛大學研制的章魚形柔性機器人Octobot由氣動機構(gòu)驅(qū)動。氣動機構(gòu)的運作依賴于內(nèi)嵌的可充氣隔間的擴張，相當于致動器。這些致動器被集成到一個由液體燃料（液體過氧化氫）供能的流體氣動網(wǎng)絡。該燃料通過含有鉑催化劑的反應室，催化劑會使過氧化氫分解，產(chǎn)生氧氣使致動器膨脹，從而使機器人的手臂發(fā)生運動。Okayama研究室研發(fā)了氣動軟體機器魚。該機器魚的頭部安裝了一塊電子控制模板，腹部安裝了一個二氧化碳儲存罐，機器魚體內(nèi)則有兩根配置了吸入二氧化碳的噴嘴的充氣管，充氣管的氣體進出可以控制魚的方向，而噴嘴則用來控制魚的游行速度。

4 結(jié)語

如今機器人發(fā)展的特點可概括為：橫向上，應用面越來越寬?？v向上，機器人的種類會越來越多。而軟體機器人研究雖只是一種簡單的概念，但是有成為人類得力工具的潛力。

盡管軟體機器人的研究尚處于起步階段，仍是一種新的研究方向，跨學科的研究還存在著一系列問題。但未來軟體機器人勢必將綜合更多先進技術(shù)，實現(xiàn)高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點，探發(fā)其在更多領(lǐng)域應用的潛能。

參考文獻

[1] Seok S，Onal CD，Cho K，et al.Meshworm： a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics，2012，18（5）：1485-1497.

[2] Kang R，Branson DT，Guglielmino E，et al. Dynamic modeling and control of an octopus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2012，64（5）：1004-1016.

[3] Nakamaru S，Maeda S，Hara Y，et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009.