未來的柔性機器人

徐寧

機器人技術已經發(fā)展了那么多年，為什么在我們的生活和工作中還是很少見到它們？原因不是因為太昂貴，而是因為今天的許多機器人只適合用于重復度高、精度要求高的領域，比如汽車裝配。雖然裝配一輛汽車需要成千上萬道工序，但無論是抓取零件還是焊接車架，都是重復千百萬次都固定不變的動作。

但真實世界不是“裝配線”，而是不斷變化著的。機器人在精度和速度上的優(yōu)勢并不能讓它們很好地適應真實世界。比如，在2015年美國國防高級研究計劃局主辦的一場機器人挑戰(zhàn)賽上，一臺機器人因為一個簡單的轉動門把手開門的動作，把自己給摔倒了：又比如用機器人通過捏芒果來判斷成熟度，就算用當今汽車制造業(yè)頂級的機器臂（平均動作誤差小于0.02毫米）來捏100個芒果，其中肯定有許多被捏破的。所以，有些動作在人類看來很簡單，但機器人完成起來卻很困難。

面對這樣的難題，科學家和工程師開始用另一種思路來設計機器人。首先，它們應該更善于完成條件多變的任務，盡管不需要很高的精度或速度;其次，考慮到它們和人類一起工作和生活，這些機器人應該是柔軟的，這樣才不會傷害人類;最后，機器人的生產成本不能太高，也不會輕易就被損壞。因此，越來越多柔性機器人開始加入機器人的行列。

如何讓機器人變得更軟

從很久以前，機器人設計就開始借鑒自然界中的生物，即仿生學。但傳統(tǒng)機器人因為太硬了，很難像動物一樣自由運動。人類等脊椎動物的內骨骼（硬質材料）只占體重的1096～15%，而我們身上的其他部位如傳感器（神經）、驅動器（肌肉）、中央控制系統(tǒng)（大腦）都是柔軟的、可變形的。不僅如此，我們儲存“燃料”的肝臟和腸道是柔軟的，處理廢物的腎臟和肝臟也是柔軟的，交換氣體的肺部和交換熱量的皮膚都是柔軟的。如果機器人的柔軟材料比例更高，它們的行動也會更自然。

要讓機器人變軟，最簡單的做法就是在堅硬的金屬表面覆蓋橡膠、泡沫、硅膠等柔軟材料，但科學家希望機器人不僅表面是柔軟的，而是全部由柔性材料制成，最好連電池、電路板、電線都不需要。這樣的機器人才能實現(xiàn)柔和的動作，也能承受更大沖擊，最重要的是它們與人相處起來也更安全。

科學家想了許多讓機器人變軟的方法。他們借鑒了蚯蚓等環(huán)節(jié)動物“靜水骨骼”的原理，在一些機器人體內安放由記憶合金彈簧制成的圓柱形中空金屬網(wǎng)。記憶合金收縮和變形，讓柔性機器人自由變化長度和粗細。在以往，硬質機器人要想完成更復雜的動作，就要增加關節(jié)數(shù)量。而由記憶合金彈簧制成的機器人，其“骨骼”可以自由彎曲，因此動作不再受關節(jié)數(shù)量局限。一種叫“GoQBot”的機器人可以通過翻滾躲避危險。對它的研發(fā)借鑒了自然界中最快速的躲避機制之一。GoQB0t長得就像一條毛毛蟲，在記憶合金彈簧的驅使下，它能如毛毛蟲一樣爬行，而且劇烈收縮，能以最高lg（地球表面物體墜落的加速度，約合9.8m/s²）的加速度快速翻滾。

更新一些的方案是氣動網(wǎng)格。其原理類似吹氣球，只不過區(qū)別在于氣球的橡膠分布較均勻，充氣后的氣球向所有方向膨脹。而氣動網(wǎng)格機器人的每個部分的材料密度不同，因此充氣后各部分膨脹度也不同——直的能變彎，彎的能被拉直。改變材料彎度就像拉伸肌肉，可以讓機器人抓取、移動物體。

柔性也給機器人的設計帶來了全新思路，比如利用炸藥等高能量密度能源。這在以往設計硬質機器人過程中是不敢想象的。在實驗中，技術人員用丁烷氣爆炸產生的氣浪使全軟體機器人被彈射到距離地面0.6米的高處，然后重重落下，身體柔軟的柔性機器人毫發(fā)無傷，能再次跳躍。硬質機器人就難以承受從高處墜下或摔倒，會受到損傷。軟體機器人很好地解決了這個問題。

相比電池，化學燃料的能量密度高得多，是非常適合機器人隨身攜帶的能源。柔性材料還有許多奇怪的特性。例如，有些柔性材料有負泊松比：當被拉長時，它們會變寬：被壓縮時，反而會變窄。還有的柔性材料受到快速沖擊時會迅速變硬。

提起面團的“軟手”

如何讓機械手抓起柔軟的面團曾經難倒過許多工程師。食品工廠流水線的傳統(tǒng)夾具往往使用吸盤抓取柔軟物體，但比薩餅面團是發(fā)酵面團，太過柔軟，吸盤內的負壓很容易讓面團變形。

2016年，英國某比薩餅生產企業(yè)第一次讓機器夾具拿起了柔軟的面團。新型夾具的“手指”表面覆蓋了充氣聚合物材料，注入空氣后快速膨脹的表面能抓住柔軟物體，抽出夾具內部的空氣后，夾具就能完成丟棄動作?？梢宰冃蔚摹笆种浮弊屵@種機械手能抓住雞蛋、生肉、鋼筆、蛋糕等物體。即便物體的尺寸不完全相同，夾具也能應對自如：當系統(tǒng)識別到不同尺寸的面團，充氣“手指”中會泵入更多空氣，夾具間空間變小，就能拿起更小的面團。

柔軟夾具的好處是工廠不需要對每種產品分別編寫程序，柔軟的表面賦予了夾具與產品更大的接觸面積，讓夾具不用再去精確控制速度、角度和力度，大大降低了所需的傳感器數(shù)量。機械手平均每分鐘能抓起并放下133個小番茄，已經超過了人類熟練工每分鐘100個的平均速度。充氣軟質夾具很好地解決了抓取柔軟物體而不造成破壞的難題。當然這不是說剛性機器臂就要被淘汰了——硬質夾具依然適合汽車裝配工作。

柔軟外骨骼一“外套”

2014年世界杯新聞發(fā)布會上，一名因脊柱受損而截癱的29歲巴西足球運動員在穿上剛性外骨骼后再次行走，引起不小的轟動。雖然剛性外骨骼能幫助殘疾人重新行走，但它們很昂貴，用起來也不方便。因此，科學家試圖開發(fā)更小、更輕的外骨骼。

彈性聚合物人造肌肉、微型柔性傳感器、液態(tài)金屬和記憶合金材料等領域的突破讓外骨骼能由硬變軟。一種柔性外骨骼也叫“外套”，最初被研發(fā)的目的是為了減輕士兵野外行軍時的負重。它又軟又輕，不會約束穿戴者的運動，也可以穿在衣服下面，不引人注目，價格也比硬質外骨骼更低。

“外套”很柔軟，雖然無法讓癱瘓病人站立行走，但卻能有效幫助中風患者克服腦損傷帶來的行走不便。久坐不動是危險的，會大大提高中風患者肌肉萎縮、關節(jié)變形和骨密度下降等風險。長時間不動還會引發(fā)腿部血管產生深靜脈血栓，引起肺栓塞猝死?！巴馓住蹦軒椭酗L患者行走，減少久坐帶來的風險。最新型外骨骼甚至不需要人造肌肉，僅靠記憶聚合物薄膜和記憶合金纖維就能實現(xiàn)外骨骼的支撐功能，未來中風患者只需要穿上由這種織物制成的褲子就能正常行走。

進入身體的柔軟機器

外形酷似章魚的機器人“0ctobot”是全世界首個完全自動化的軟體機器人。它的主體由硅膠材料經3D打印而成，透過透明硅膠能夠看見內部的紅藍線纜。章魚機器人沒有外接線纜，也沒有電池。鉑催化劑讓機器人內部的過氧化氫快速分解為水和氧氣。氧氣通過柔性閥門讓八條臂有序運動，實現(xiàn)游泳動作。

機器章魚和醫(yī)療機器有什么聯(lián)系？其實，機器章魚向人們展示了未來醫(yī)療微機器人的可能形態(tài)：不需要外接電纜、沒有硬質結構、可以實現(xiàn)較復雜的動作。如果使用生物可降解材料，柔性醫(yī)療微機器人進入病人身體完成任務后，便會自然降解成無毒害物質?？赏淌车娜嵝詸C器人能到達病灶部位精準送藥，也能在人體內收集信息，還能進行無創(chuàng)手術。

英國謝菲爾德實驗室正在研發(fā)一種心臟輔助裝置，這是一種具有復雜幾何結構的軟體機器，能夠包裹在心臟周圍，輔助心臟收縮，提高泵血能力，最重要的是它不會傷害心臟。構成機器的泡沫橡膠內部有大量微孔，向其中注入流體能改變其剛性和形狀，從而向心臟提供額外壓力。通過剪裁，裝置能夠避開心臟主動脈區(qū)域，不會影響心血管正常功能。

能不斷“生長”的救援機器人

有些柔性機器人能在尖端位置不斷生長，就像葡萄藤一樣。斯坦福大學的研究人員在實驗室的屋頂進行了一次實驗：他們讓一臺救援用柔性機器人從吊頂進入黑暗的天花板。只見這個機器人從頭部位置不斷冒出新的軀體，像一條無窮無盡的長蛇。在攝像頭的幫助下，機器人躲開了天花板內的電線等障礙物，最終抵達了研究人員預設的目的地，那里有一只燃燒中的蠟燭。由于這臺機器人的運動模仿了藤蔓，研究人員將它命名為“藤”。

“藤”并不是真的在生長。其空腔內折疊好的柔性材料從機器人正前方的頭部向外翻出，并在壓縮空氣的作用下充氣膨脹;位于其頭部的驅動器能改變延伸方向，二氧化碳傳感器能幫助它自動向有二氧化碳的方向移動?？茖W家希望“藤”能夠在災害救援中發(fā)揮重要作用，而它也確實展現(xiàn)出某些驚人的特性：完全充氣后的“藤”能撐起100千克重的箱子;它的頭部直徑很小，能穿過直徑只有軀體截面直徑1/10的小孔，并且不妨礙它穿過后繼續(xù)膨脹。在后續(xù)實驗中，膠水、釘子和低溫都沒能阻止“藤”的前進步伐。萬一“藤”的塑料膜被刺破了怎么辦？“藤”被刺破的部分會在內部高壓下自密封，此時塑料膜會緊緊包裹住尖銳物體，防止內部氣體泄露。

近年來驅動、感知、模具成型和控制技術的進步，讓越來越多的柔性機器人成為現(xiàn)實。它們不僅能擠壓、拉扯、攀爬、成長、變形，有些還能自我進化、自愈、自然降解。柔性革命不僅讓機器人變軟，讓機器人變得更廉價、更智能、更安全。

（責任編輯王川）