機(jī)器人里的“忍者”
——仿生軟體機(jī)器人

中國科學(xué)院 周 軍

軟體機(jī)器人是采用特殊材料制成，可實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)和變形的新型韌性機(jī)器人。相比于普通剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人不包含任何電子元件，自帶燃料的同時(shí)不需要電池供電，還具有自主運(yùn)動(dòng)、靈活變身、巧妙偽裝等一系列超能力，將在生物醫(yī)學(xué)、救援探測和軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用。

哈佛大學(xué)研制的名為“Octobot”的軟體機(jī)器人，自帶運(yùn)動(dòng)燃料，可通過調(diào)控內(nèi)部氣體實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，既不需要連接計(jì)算機(jī)獲取指令，也不包含任何電子元件，不禁令人嘖嘖稱奇?！癘ctobot”采用 3D打印技術(shù)配合柔性材料制造，因而具備了完全柔軟的“身體”。

軟體機(jī)器人采用的材料包括硅膠、液晶等彈性物質(zhì)，具有較高的自由度，不僅可以較好地適應(yīng)外界環(huán)境，更可在外力作用下巧妙變身。軟體機(jī)器人理論上具有無限多自由度，可實(shí)現(xiàn)靈活彎曲、扭轉(zhuǎn)，即使遭受到外界撞擊也不會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生大的傷害，因而可在空間狹小、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下完成常人難以完成的復(fù)雜任務(wù)。

與使用復(fù)雜的電動(dòng)或氣壓傳動(dòng)的剛性機(jī)器人不同的是，“八爪怪”軟體機(jī)器人相當(dāng)于一個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)管，通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體聚集壓縮，并利用氣體的壓強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。如今，“八爪怪”軟體機(jī)器人通過軀體內(nèi)部集成的運(yùn)動(dòng)器和控制系統(tǒng)自主運(yùn)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)了健步如飛乃至飛檐走壁。

與普通機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人可通過內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)顏色可變與發(fā)光，并可通過充氣增壓和通道膨脹實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。目前研究的軟體機(jī)器人可在30秒內(nèi)迅速變身，一旦完成顏色轉(zhuǎn)換，顏色層就不再需要?jiǎng)恿砭S持色彩，移動(dòng)到特定位置后常常與背景難以區(qū)分。同時(shí)，一些軟體機(jī)器人在設(shè)計(jì)之初就巧妙參照了仿生模型外觀，利用3D打印工藝制造出來后簡直可以“以假亂真”，肉眼不仔細(xì)觀察真得難以分辨。

軟體機(jī)器人可采用3D打印方式制作，成本較低，未來可實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)。由于軟體機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)不是依靠傳統(tǒng)的硬質(zhì)電動(dòng)機(jī)或馬達(dá)，而是靠類似人類肌肉一樣在受到電刺激情況下會(huì)自主運(yùn)動(dòng)的高分子材料來實(shí)現(xiàn)，因此機(jī)體運(yùn)動(dòng)能力突出。同時(shí)，軟體機(jī)器人可抓起自身重量100多倍的物體。

在自然界中，軟體動(dòng)物廣泛分布在海水、淡水以及陸地上，成為人們研究軟體機(jī)器人的重要生物模型?，F(xiàn)有的軟體機(jī)器人大多參照自然界中的章魚、海星等軟體生物進(jìn)行外觀設(shè)置，相似度極高。希臘研究人員利用硅膠樹脂研制出的章魚機(jī)器人，放在水中移動(dòng)時(shí)，甚至?xí)行◆~跟在身后游動(dòng)。美國研究人員研制的軟體機(jī)器人具有和毛毛蟲一樣的滾動(dòng)彈射能力。哈佛大學(xué)研制的一種韌性機(jī)器人，身子非常柔軟，可像蠕蟲一般在異常狹小的空間里依靠蠕動(dòng)而活動(dòng)。歐盟資助的“章魚觸手”項(xiàng)目通過研究章魚本體和觸手的全局協(xié)同運(yùn)動(dòng)和控制機(jī)理，開發(fā)了可在水下工作的仿生章魚觸手，并形成了一套行之有效的控制方法。

軟體機(jī)器人堪稱機(jī)器人家族的集大成者。由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局和哈佛大學(xué)聯(lián)合研制的軟硅膠材料機(jī)器人，不僅可通過自身變形穿過狹小的縫隙“無孔不入”，更能牢牢攀附在任何物體表面上，還可通過改變“皮膚色調(diào)”與周圍環(huán)境融為一體。更令人驚嘆的是，這款軟體機(jī)器人可在黑暗處發(fā)光并改變自身溫度，而它由于使用模具制造，設(shè)計(jì)成本只有不到100美元。

隨著軟體機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步成熟，未來將在生物醫(yī)學(xué)、設(shè)備維修檢測、救援探測和軍事特種作戰(zhàn)以及情報(bào)偵察等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。由于自身過于“軟弱”，軟體機(jī)器人才得以“以柔克剛”，在受到外界沖擊和破壞時(shí)不易損傷，極大增強(qiáng)了其在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力。同時(shí)，由于不具備電子元件，軟體機(jī)器人在交錯(cuò)縱橫的電磁偵察系統(tǒng)下較易躲避各類設(shè)備追蹤。未來，加裝了專業(yè)偵察設(shè)備甚至是作戰(zhàn)武器的軟體機(jī)器人，可承擔(dān)各類偵察探測任務(wù)，更可出其不意對(duì)敵人予以致命一擊。