軟體機(jī)器人研究進(jìn)展

王海濤 彭熙鳳 林本末

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)廣泛運(yùn)用于醫(yī)療、救援、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多種領(lǐng)域。大多數(shù)傳統(tǒng)的機(jī)器人是由硬質(zhì)材料制成的，輸出力量大、速度快和精度高，但傳統(tǒng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，使其不能穿過(guò)狹窄的空間，也不能適應(yīng)形狀復(fù)雜的通道[1- 2]。由于傳統(tǒng)機(jī)器人的一些缺點(diǎn)不能滿足人類的需求，促使越來(lái)越多的研究人員開(kāi)發(fā)軟體機(jī)器人，并取得了巨大的進(jìn)步。軟體機(jī)器人主體材料采用變形較大的柔性材料制成，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形，并任意改變自身的尺寸和形狀[1- 2]。柔性材料的使用使得軟體機(jī)器人的質(zhì)量比傳統(tǒng)機(jī)器人輕，并能夠安全地與人協(xié)作，還具有自主適應(yīng)不同形狀的能力[3]。同時(shí)，軟體機(jī)器人的發(fā)展也面臨著一系列的困難和挑戰(zhàn)，新的軟體結(jié)構(gòu)對(duì)材料和傳感技術(shù)的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的材料并不能完全滿足所要實(shí)現(xiàn)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的傳感器由于軟體機(jī)器人高度的柔順性也無(wú)法得到良好的應(yīng)用，所以具有高伸展性能和彎曲性能的新型傳感器還有待于開(kāi)發(fā)。

軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感大多數(shù)來(lái)自于自然界的生物，特別是軟體動(dòng)物的“肌肉性靜水骨骼”生理結(jié)構(gòu)[4]，成為眾多研究人員的仿生熱點(diǎn)，例如德國(guó)Festo公司的仿象鼻機(jī)械臂BionicSoftArm[5]，F(xiàn)esto公司在研發(fā)仿生機(jī)器人領(lǐng)域有十幾年的經(jīng)驗(yàn)，并取得了一系列的成就，其中BionicSoftArm和BionicSoftHand是2019年最新的研究成果。文中將依據(jù)近年來(lái)軟體機(jī)器人的發(fā)展，從制作材料、制作方法、驅(qū)動(dòng)方式、應(yīng)用領(lǐng)域等方面對(duì)軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀展開(kāi)論述，探討在軟體機(jī)器人技術(shù)研究中存在的問(wèn)題和面臨的困難。

1 制作材料

大多數(shù)軟體機(jī)器人都是由柔軟的材料制作的，由于軟材料有比較大的拉伸率，使軟體機(jī)器人能夠靈活運(yùn)動(dòng)，具有多個(gè)自由度。高彈性體、塑料、顆粒、智能金屬和織物等都可以用來(lái)制作軟體機(jī)器人。目前，研究人員也相繼研發(fā)了一些新的材料，為制作軟體機(jī)器人提供了更多可能。

1.1 現(xiàn)有材料

目前制作軟體機(jī)器人的材料主要包括高彈性體、塑料、顆粒和織物，其中具有高彈性的硅膠是制作軟體機(jī)器人使用最多的材料。市面上所售的硅膠種類繁多，德國(guó)Waker公司和美國(guó)Smooth-on公司生產(chǎn)的硅膠材料是在軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。

Faudzi等[6]利用氣動(dòng)人工肌肉研發(fā)了仿象鼻系列機(jī)器人OctArm，氣動(dòng)人工肌肉是由一種高彈性體材料和外部織物護(hù)套組成的驅(qū)動(dòng)器，它的伸縮和彎曲運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)改變織物的編織方向?qū)崿F(xiàn)的。第四代OctArmIV的末端執(zhí)行器可以提供最大890 N的縱向負(fù)載和250 N的橫向負(fù)載[7]，如圖1(a)所示。Polygerinos等[8]制作了一款可以輔助人類手部康復(fù)的軟充氣手套，模仿了手指的彎曲功能，如圖1(b)所示。手套的主體材料為硅橡膠，是德國(guó)Waker公司生產(chǎn)的Elastosil M4601 A/B型硅橡膠[9]，這種硅橡膠是一種超彈性材料，當(dāng)材料受到拉力時(shí)可以伸長(zhǎng)至它們?cè)L(zhǎng)度的數(shù)倍，當(dāng)拉力解除后可以自行回彈到原來(lái)的形狀，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其斷裂伸長(zhǎng)率為700%。Larson等[10]提出了一種高彈性電致發(fā)光皮膚(HLEC)，它能在主動(dòng)發(fā)光的同時(shí)進(jìn)行大的單軸拉伸和表面積變化。HLEC有5層結(jié)構(gòu)，約1 mm厚的電致發(fā)光層(ZnS-Ecoflex 00-30)，夾在兩個(gè)PAM-LiCl水凝膠電極之間并封裝在Ecoflex 00-30中。Ecoflex 00-30[11]是美國(guó)Smooth-on公司生產(chǎn)的彈性材料，是用鉑催化的有機(jī)硅，使用時(shí)，有機(jī)硅和鉑催化劑按質(zhì)量或體積比1∶1混合，可在室溫下固化。他們將這種皮膚運(yùn)用在氣動(dòng)軟體機(jī)器人上，向機(jī)器人底部?jī)蓪幼⑷雺嚎s氣體后能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)，并且在爬行過(guò)程中能自主發(fā)光，如圖1(c)所示。Hawkes等[12]利用壓力驅(qū)動(dòng)倒置容器外翻的原理，使用聚乙烯薄膜模仿藤蔓的生長(zhǎng)制作了一款伸長(zhǎng)型的機(jī)器人。在沒(méi)有主動(dòng)控制的情況下，軟體機(jī)器人可以在各種復(fù)雜環(huán)境中伸長(zhǎng)，既可以穿過(guò)狹窄的空間和繞過(guò)障礙物，還可以伸長(zhǎng)成特定的三維結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示。Brown等[13]制作了一款由研磨咖啡和乳膠外皮做成的通用顆粒夾具，該夾具可以被動(dòng)地符合目標(biāo)物體的形狀，然后真空硬化，剛性地抓住物體，稍后使用正壓力釋放物體并返回到原始可變形狀態(tài)。這款通用夾具無(wú)需主動(dòng)反饋，但必須抓住物體表面的一部分才能牢牢抓起物體(見(jiàn)圖1(e))。Kandhari等[14]提出了一種基于織物的蠕蟲狀機(jī)器人MiniFabricWorm，其結(jié)構(gòu)中不包括任何的剛性部件，使用尼龍管做成菱形網(wǎng)格形狀，并整合到織物中，使結(jié)構(gòu)具有柔順的蠕蟲形狀，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以模仿蠕蟲般的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1(f))?？椢锟梢怨潭ňW(wǎng)狀物，使其在運(yùn)動(dòng)期間保持其形狀。此外，可通過(guò)拉伸織物提供恢復(fù)力，從而不需要添加恢復(fù)彈簧。

圖1 不同材料制作的軟體機(jī)器人Fig.1 Soft robots with different materials

1.2 新材料

為了制作性能更優(yōu)越的軟體機(jī)器人，研究人員對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改進(jìn)或開(kāi)發(fā)新型水凝膠材料，新型材料的引入，最終帶來(lái)了軟體機(jī)器人新的部件和功能。Miriyev等[15]利用乙醇與硅氧烷彈性體制備了一種柔軟的材料(由于兩者的充分混合，乙醇液體分布在彈性體基質(zhì)中的微泡內(nèi)，當(dāng)材料受熱時(shí)，液態(tài)乙醇隨著溫度的升高而蒸發(fā)，在微泡內(nèi)產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致彈性體基質(zhì)膨脹，如圖2(a)所示)，并證明了這種材料可以在一系列機(jī)器人應(yīng)用中用作致動(dòng)器。由于軟體系統(tǒng)對(duì)損傷的易感性，使用自愈材料構(gòu)建機(jī)器人變得非常重要。Valentin等[16]開(kāi)發(fā)了一種新型水凝膠材料，如圖2(b)所示，具有刺激響應(yīng)性和自粘性的水凝膠構(gòu)建塊，可以簡(jiǎn)單地“自己動(dòng)手”構(gòu)造軟體機(jī)器人和微流體裝置。“即插即用”水凝膠部件能夠模擬生命系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)、傳感和流體輸送，并能在中等陽(yáng)離子的作用下允許水凝膠表面之間強(qiáng)烈的自粘附。Park等[17]利用機(jī)器人卷曲或扭曲時(shí)發(fā)生分子變化的現(xiàn)象，在機(jī)器人的材料中加入了變色化合物，這些化合物在拉伸時(shí)會(huì)被激活，如圖2(c)所示。這樣做是為了創(chuàng)造一個(gè)能夠在移動(dòng)時(shí)隱藏自身的機(jī)器人，并且因?yàn)樵诓牧蠎?yīng)變最高的地方顏色變化最強(qiáng)烈，它可有助于指出機(jī)器人易受破壞的位置，還可以通過(guò)添加其他化合物來(lái)釋放藥物分子，使機(jī)器人發(fā)光或在材料破裂時(shí)修復(fù)材料。Cangialosi等[18]制造了由DNA觸發(fā)的變形水凝膠材料，如圖2(d)所示，探討了水凝膠材料如何響應(yīng)具有不同終止信息的DNA序列，進(jìn)而變成不同的形狀?？勺冃蔚乃z材料能響應(yīng)外界刺激產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作，這種特性對(duì)軟體機(jī)器人、可編程物質(zhì)和智能醫(yī)療至關(guān)重要。

圖2 幾種柔軟的新材料Fig.2 Several new soft materials

軟體機(jī)器人的發(fā)展將需要研究新的多功能材料，自愈材料的應(yīng)用將提高系統(tǒng)的魯棒性，使其適用于嚴(yán)酷和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境，有些軟體機(jī)器人的制作需要快速調(diào)整材料的剛性能力，以便在軟/順應(yīng)狀態(tài)和硬/承載狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)快速、可逆的切換，“剛?cè)岵?jì)”材料的研發(fā)也是需要攻克的難題。

2 制作方法

軟體機(jī)器人本體的制作方法主要包括3D打印技術(shù)、鑄造法、軟光刻技術(shù)、激光雕刻、沉積工藝等。隨著3D打印機(jī)的發(fā)展，各種功能的打印機(jī)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中一些打印機(jī)可用于直接打印軟執(zhí)行器。

Peele等[19]開(kāi)發(fā)了一種用于數(shù)字掩模投影立體光刻(DMP-SL)的低成本系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用數(shù)字反射鏡設(shè)備照亮，并選擇“自底向上”的過(guò)程，通過(guò)一個(gè)透明托盤的底部一次性完成整層樹脂的光聚合。其后該團(tuán)隊(duì)利用DMP-SL制造了具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軟致動(dòng)器，DMP-SL實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。Yirmibesoglu等[20]提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印軟體機(jī)器人的擠出機(jī)構(gòu)，采用高精度注射泵，結(jié)合定制3D打印機(jī)，可以一次性打印整個(gè)軟體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其打印用料為液體硅膠，直接在機(jī)器內(nèi)部混合，然后用注射泵擠出，對(duì)流加熱機(jī)構(gòu)對(duì)擠出的材料加熱固化，保證打印體不發(fā)生坍塌；用耐高溫材料制造了混合室，保證混合室是絕熱的，材料在擠出前不會(huì)固化。

圖3 數(shù)字掩模投影立體光刻實(shí)驗(yàn)裝置[19]

Fig.3 Experimental device of digital mask projection stereo lithography

圖4 3D打印機(jī)[20]Fig.4 3D printer

目前鑄造法是制作軟體機(jī)器人比較常用的方法。文中以澆鑄法為例，其具體步驟(流程圖見(jiàn)圖5[21])如下：①制作模具，通常采用普通3D打印機(jī)打印模具；②向制作好的模具中倒入已經(jīng)調(diào)制完畢的硅膠液體，固化硅膠；③硅膠完全固化后脫模取出，連接裝置。旋轉(zhuǎn)鑄造也是一種鑄造方法，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)鑄造工藝都使用帶有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的框架來(lái)覆蓋空心模具的內(nèi)部，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，熔融的熱塑性樹脂涂在模具表面上，然后冷卻，直到材料變硬。Zhao等[22]開(kāi)發(fā)了用于制造軟致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)，如圖6所示，使用的材料是在室溫下的液體，并在鑄造過(guò)程中聚合成軟彈性體。旋轉(zhuǎn)鑄造法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要粘合劑，與其他粘合的軟驅(qū)動(dòng)器相比，這可以產(chǎn)生更大的力，并且此款旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)將來(lái)有可能會(huì)使用更堅(jiān)韌的材料。

圖5 澆鑄流程[21]Fig.5 Casting process

圖6 旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)[22]Fig.6 Rotary casting system

軟光刻技術(shù)是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)。其主要過(guò)程如下：首先紫外光通過(guò)掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；然后通過(guò)顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域的光刻膠，使掩膜版上的圖形被復(fù)制到光刻膠薄膜上；最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。Ranzani等[23]將多層軟光刻、精密激光微加工和折疊技術(shù)相結(jié)合，提出了建立三維微型軟結(jié)構(gòu)和器件的新方法；該團(tuán)隊(duì)制造了一款具有嵌入式微流體電路的軟蜘蛛，首先使用軟光刻技術(shù)生成12層彈性硅膠(這些硅膠共同構(gòu)成了軟蜘蛛的材料基礎(chǔ))，再使用激光微加工技術(shù)從模具中精確切割每一層，然后粘合到下面的一層以創(chuàng)建軟蜘蛛的3D結(jié)構(gòu)。Chin等[24]提出了一款用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)Handed Shearing Auxetics，使用聚四氟乙烯圓柱管激光雕刻成型。

在形狀沉積工藝中常用軟材料作為支撐材料，用硬聚氨酯作為犧牲材料，可以將傳感器融入到機(jī)器人本體中，制造微小尺度軟體機(jī)器人，但加工工藝較復(fù)雜，成本較高，沉積過(guò)程中對(duì)加工環(huán)境要求也較高，此處不再詳細(xì)贅述。

與軟光刻技術(shù)和澆鑄法相比，3D打印技術(shù)無(wú)需人工干預(yù)，尺寸誤差小，制造時(shí)間縮短50%以上。3D打印的軟體機(jī)器人性能更好，功能更加強(qiáng)大，可靠性更高。目前3D打印技術(shù)直接打印軟體機(jī)器人是一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，在材料和傳感技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，3D打印技術(shù)也有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)傳感一體化打印。

3 驅(qū)動(dòng)方式

為了使軟體機(jī)器人在工作中能夠產(chǎn)生彎曲、伸縮和扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作，除了需要有高柔性和大變形能力的材料外，其驅(qū)動(dòng)方式也至關(guān)重要。目前的軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式中，有的通過(guò)傳輸介質(zhì)對(duì)本體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，有的采用變形能力強(qiáng)的材料作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，還有的直接利用本體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理的不同，可以將驅(qū)動(dòng)方式分為氣體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)3類。

3.1 氣體驅(qū)動(dòng)

氣體驅(qū)動(dòng)被廣泛地用于軟體機(jī)器人上，氣體驅(qū)動(dòng)可以分為正壓驅(qū)動(dòng)和負(fù)壓驅(qū)動(dòng)兩種形式。正壓驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)向腔體內(nèi)充入壓縮氣體，使腔體膨脹帶動(dòng)軟體執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)和變形。負(fù)壓驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)抽真空的方式把腔體內(nèi)的空氣抽走，使腔體產(chǎn)生收縮并帶動(dòng)軟體執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)和變形[25]。

Fei等[26]提出了一種基于織物的多功能和剛度可調(diào)節(jié)軟夾具，它由兩個(gè)片狀手指和一個(gè)圓柱形手腕構(gòu)成，使用正壓驅(qū)動(dòng)，如圖7所示。雙向彎曲的片狀手指不但擴(kuò)大了可以抓握的物體的尺寸范圍，還能夠更穩(wěn)定地抓住各種形狀的物體，可調(diào)節(jié)的夾持力擴(kuò)大了可以抓握的物體的質(zhì)量范圍，通用的軟手腕允許它以各種方向抓住物體。因?yàn)槠瑺钍种钢聞?dòng)器是雙向可彎曲的并且在兩側(cè)具有可膨脹的氣室，改變兩側(cè)腔室中的共同壓力，可以改變手指的剛度，腕部的剛度也可以用相同的方式調(diào)整。測(cè)試表明，該夾具可以產(chǎn)生的最大夾持力向內(nèi)為40 N，向外為38 N。

Vasios等[27]簡(jiǎn)化了正壓氣體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，利用水流過(guò)稻草時(shí)稻草越薄、水越難通過(guò)的原理，精心挑選了不同尺寸的管子來(lái)控制空氣穿過(guò)設(shè)備的速度。單個(gè)輸入其中一個(gè)管，泵送相同量的空氣，但管的尺寸決定了空氣流動(dòng)的方式和位置。該團(tuán)隊(duì)展示了一種具有嵌入式驅(qū)動(dòng)控制的四足軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。嵌入機(jī)器人頂部的管子將空氣依次引導(dǎo)到每條腿，使機(jī)器人能夠爬行，如圖8所示。這種由加壓空氣驅(qū)動(dòng)的新型簡(jiǎn)化軟體機(jī)器人用一個(gè)輸入取代了多個(gè)控制系統(tǒng)，減少了為設(shè)備供氣所需組件的數(shù)量、質(zhì)量和復(fù)雜性。

圖7 剛度可調(diào)節(jié)的軟夾具[26]Fig.7 Soft gripper with adjustable stiffness

圖8 簡(jiǎn)化的軟體機(jī)器人[27]Fig.8 Simplified soft robot

Hyatt等[28]對(duì)能夠執(zhí)行操作任務(wù)的大型氣動(dòng)軟體機(jī)器人進(jìn)行有效的配置估計(jì)和控制。由Pneubo-tics[29]公司開(kāi)發(fā)和制造的基于織物的正壓氣動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖9。King Louie有兩個(gè)四自由度的手臂，每個(gè)臂的長(zhǎng)度為1.1 m，還有一個(gè)單自由度的髖關(guān)節(jié)。Kaa是一個(gè)1.5 m長(zhǎng)的六自由度系列的機(jī)械手，被安裝在NASA Ames的K-Rex漫游車上，完成了支撐、掃地、安全人機(jī)協(xié)作、拾取和放置等任務(wù)。

圖9 大型氣體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人Fig.9 Large-scale soft robots driven by gas

利用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究也逐漸開(kāi)展。Li等[30]提出了流體驅(qū)動(dòng)的折紙人造肌肉FOAM，這些肌肉可以很容易地由各種各樣的材料制成，通過(guò)改變骨架的幾何形狀可以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，還可以使用具有不同鉸鏈剛度的空隙來(lái)實(shí)現(xiàn)差異收縮，產(chǎn)生不對(duì)稱的平面外運(yùn)動(dòng)，與由高壓氣體驅(qū)動(dòng)的人造肌肉相比，使用負(fù)壓為FOAM提供了更安全的致動(dòng)方式。之后，Li等[31]繼續(xù)用折紙帶來(lái)的靈感研發(fā)了一種新的夾具，是一種由折紙“魔術(shù)球”和柔性薄膜組成的輕量化、真空驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器人夾持器。此款?yuàn)A具制作簡(jiǎn)單，一個(gè)柔順的折紙“魔術(shù)球”結(jié)構(gòu)作為抓握器的內(nèi)部骨架，它的表面被一個(gè)橡膠氣球或薄織物片覆蓋，骨架和外表面可以是不同材料的組合應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在高負(fù)荷下，該夾具也能較好地抓取各種物體，如圖10所示。

圖10 真空驅(qū)動(dòng)的折紙軟夾具[31]Fig.10 Origami soft gripper driven by vacuum

使用氣體驅(qū)動(dòng)具有反應(yīng)速度快、變形快、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些不足：①對(duì)密封性要求高，難以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的小型化，需要外置氣管、空氣壓縮機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；②氣腔在充氣膨脹時(shí)若不添加限制層會(huì)出現(xiàn)爆裂等情況。因此，氣體驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器還有待于優(yōu)化和創(chuàng)新。

3.2 智能材料驅(qū)動(dòng)

采用智能材料驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人是目前驅(qū)動(dòng)方式中研究較多的方向，形狀記憶合金(SMA)、電活性聚合物(EPA)、聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)等都屬于智能材料。SMA是兩種以上金屬元素構(gòu)成的材料，通過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)，其質(zhì)量小，易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的微型化、自動(dòng)化且響應(yīng)速度快，工作無(wú)噪聲，因而受到眾多研究人員的青睞。EAP具有特殊的電性能和機(jī)械性能，這種聚合物在受到電刺激后產(chǎn)生形變，具有較大的應(yīng)變能力，且質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)效率高、抗震性能好。IPMC是一種新型的智能材料，由于其具有良好的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力且本體柔軟，可以制作成多種驅(qū)動(dòng)器和傳感器，因而在各個(gè)領(lǐng)域中展示出巨大的應(yīng)用潛力。

Alcaide等[32]用SMA彈簧和硅膠制作了一個(gè)三段式仿蠕蟲機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人由3個(gè)相同的部分組成，每個(gè)部分有3個(gè)SMA 彈簧位于120°的位置，用硅膠做皮膚，如圖11(a)所示。3個(gè)SMA彈簧控制每個(gè)部分的方向和擴(kuò)展，柔軟的皮膚為SMA彈簧提供恢復(fù)力。在每個(gè)部分中，每個(gè)SMA彈簧都由脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流信號(hào)獨(dú)立控制。Laschi等[33]將 SMA 和軟材料相結(jié)合，研發(fā)了一種多臂章魚機(jī)器人，該機(jī)器人可以像生物一樣在水中行走，還能抓取各種形狀和大小的物體(見(jiàn)圖11(b))。Kong等[34]提出了一種基于交叉編織SMA線材的增強(qiáng)型人工肌肉模塊。SMA線材在三維空間中交叉編織成交叉結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明了編織方法應(yīng)用于SMA人工肌肉模塊的可行性，編織方法可大幅增加人工肌肉模塊的有效應(yīng)變。Wang等[35]設(shè)計(jì)了一款基于形狀記憶合金的柔性?shī)A持器，該夾持器由3個(gè)具有可變剛度的相同手指組成，用于低剛度狀態(tài)下的自適應(yīng)抓取和高剛度狀態(tài)下的有效抓取，其中SMA材料為驅(qū)動(dòng)材料，形狀記憶聚合物(SMP)為可變剛度材料，如圖11(c)所示。

圖11 智能材料驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人Fig.11 Soft robots driven by intelligent material

Cianchetti等[36]模仿章魚臂肌肉模塊，提出了一種基于電活性聚合物的新型軟驅(qū)動(dòng)器，致動(dòng)器利用金制薄膜作為電極，硅膠壓片作為主體材料，通過(guò)4個(gè)縱向肌肉和多個(gè)平行的橫向肌肉獲得仿生章魚臂。

Wang等[37]利用薄膜表面的導(dǎo)電層之間的靜電引力促使薄膜發(fā)生壓縮與形變的原理，開(kāi)發(fā)了由離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)組成的機(jī)械臂，如圖11(d)所示(該機(jī)械臂由6段組成，每段可以單獨(dú)控制，柔順性較高)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，使其通過(guò)導(dǎo)航功能穿過(guò)狹窄的鎖孔，但響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)速度較慢。

SMA驅(qū)動(dòng)雖質(zhì)量輕，可以實(shí)現(xiàn)微型化，但溫度難以控制，驅(qū)動(dòng)頻率低。EAP驅(qū)動(dòng)雖變形量大，能量密度高但需要較高的激勵(lì)電場(chǎng)，穩(wěn)定性差。IPMC驅(qū)動(dòng)雖能通過(guò)小激發(fā)電壓引起環(huán)形結(jié)構(gòu)的大彎曲變形，從而穿過(guò)狹窄的縫隙，但具有耦合效率低和致動(dòng)速度較差的缺點(diǎn)。

3.3 化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)

化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)是指利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)?；瘜W(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)是一種特殊的驅(qū)動(dòng)方式，借助機(jī)器人內(nèi)部的微流道可以實(shí)現(xiàn)完全自主的運(yùn)動(dòng)。Wehner等[38]研發(fā)的世界上首款能夠自主移動(dòng)的全軟體機(jī)器人Octobot，就是利用化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的，如圖12所示。該機(jī)器人利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)獲得連通機(jī)器人8只觸手的氣液流體微孔道，注入體內(nèi)的過(guò)氧化氫溶液在壓力作用下流過(guò)微孔道，當(dāng)遇到機(jī)器人體內(nèi)的鉑催化劑時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放氣體，使通道體積膨脹發(fā)生變形，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。Bartlett等[39]使用三維打印將多種材料融合在一起，建造了一個(gè)燃燒動(dòng)力機(jī)器人，由丁烷和氧氣燃燒提供動(dòng)力，該機(jī)器人能夠執(zhí)行無(wú)繩跳躍。Loepfe等[40]開(kāi)發(fā)了一種由無(wú)氧化亞氮-丙烷/丁烷氣體混合物燃燒驅(qū)動(dòng)的完全不受束縛的軟體機(jī)器人，該機(jī)器人使用一個(gè)不倒翁的結(jié)構(gòu)，每次跳躍后都能自動(dòng)平衡到一個(gè)直立的狀態(tài)。化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)擺脫了外部連接裝置的束縛，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的靈活性，但存在化學(xué)反應(yīng)不可控的問(wèn)題，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，此種驅(qū)動(dòng)方式將會(huì)為軟體機(jī)器人的發(fā)展帶來(lái)突破性的進(jìn)展。

圖12 全軟體機(jī)器人Octobot[38]Fig.12 Full soft robot-Octobot

4 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 仿生結(jié)構(gòu)

軟體機(jī)器人的研究促進(jìn)了仿生機(jī)器人的發(fā)展，使仿生機(jī)器人不再是純剛性材料。軟體動(dòng)物身體柔軟內(nèi)部沒(méi)有硬質(zhì)骨骼的特性讓研究人員受到了啟發(fā)，推進(jìn)了仿生機(jī)器人的發(fā)展。目前仿生機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)爬行、腿式爬行、噴射游動(dòng)、魚形游動(dòng)、蠕動(dòng)等多種仿生運(yùn)動(dòng)。Rafsanjani等[41- 42]模仿蟒蛇爬行制作了一種纖維增強(qiáng)型彈性軟驅(qū)動(dòng)器，如圖13(a)所示，它在充氣時(shí)軸向延伸，通過(guò)在執(zhí)行器周圍包裹Kirigami皮膚以增強(qiáng)軟執(zhí)行器的爬行能力，Kirigami皮膚是通過(guò)將一系列切口嵌入薄塑料片來(lái)制造的?？突仿〈髮W(xué)與其他高校合作創(chuàng)建了帶有形狀記憶合金執(zhí)行器的無(wú)繩軟機(jī)器人[43]，如圖13(b)所示，可實(shí)現(xiàn)4條腿的相互協(xié)作，模仿動(dòng)物的奔跑動(dòng)作。

圖13 幾款仿生機(jī)器人Fig.13 Several kinds of bionic robots

受到柔軟的頭足類動(dòng)物使用水力噴射進(jìn)行高速水下運(yùn)動(dòng)模式的啟發(fā)，Keithly等[44]開(kāi)發(fā)了一種可膨脹硅膠囊的噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，使用甲烷和氧氣燃燒產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)硅膠囊膨脹，并快速釋放化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，模仿魷魚的噴射高速運(yùn)動(dòng)。Hou等[45]研發(fā)的仿生機(jī)器人-魷魚如圖13(c)所示，可以使用水射流推動(dòng)自己出水，在半空中滑行，并潛入水中。仿生魷魚機(jī)器人主要由壓縮空氣提供動(dòng)力，目前只能進(jìn)行單次噴射，對(duì)此研究人員正在嘗試使用密度稍大的氣體來(lái)代替壓縮空氣，以延長(zhǎng)噴氣時(shí)間。Robertson等[46]研發(fā)出一款以扇貝為靈感的水下機(jī)器人RoboScallop，如同真正的扇貝一樣，擁有兩片相連接、可以開(kāi)合的外殼和一片包裹外殼的彈性膜代替扇貝肉，如圖13(d)所示。在仿生貝殼張開(kāi)時(shí)，水被吸入殼內(nèi)；閉合時(shí)，水從彈性膜兩側(cè)沒(méi)有連接的部分?jǐn)D出，推動(dòng)機(jī)器人向前或向上移動(dòng)。扇貝機(jī)器人可用于水下遙感、監(jiān)測(cè)和探測(cè)，或在精細(xì)生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展工作，或在水下機(jī)器人群中使用以完成各種專業(yè)任務(wù)。

Katzschmann等[47]設(shè)計(jì)了一款可以三維游泳的軟機(jī)器魚，可連續(xù)記錄它所追蹤的水生生物；通過(guò)使用小型聲學(xué)通信模塊發(fā)送速度、轉(zhuǎn)彎角度和動(dòng)態(tài)垂直潛水等命令來(lái)引導(dǎo)魚，如圖13(e)所示。這款軟機(jī)器魚柔軟的執(zhí)行器設(shè)計(jì)，有助于更自然地融入海洋環(huán)境，可用于研究水生生物和海洋動(dòng)力學(xué)的相互作用。Aubin等[48]創(chuàng)造了一種由電池液驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚，如圖13(f)所示，其開(kāi)發(fā)人員稱電池液為“機(jī)器人血液”?！把骸笔且环N碘化鋅的電解液，鋅在放電的過(guò)程中被氧化，釋放出電子和可溶性的鋅離子。電子通過(guò)機(jī)器人的電子設(shè)備流向陰極電解液，電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流為微控制器和人工循環(huán)系統(tǒng)泵供電，并將電解質(zhì)作為液壓油制作了一套液壓驅(qū)動(dòng)裝置，用于驅(qū)動(dòng)魚鰭擺動(dòng)。這條機(jī)器魚雖然反應(yīng)很慢，但是這個(gè)思路在未來(lái)解決軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和其他機(jī)器人問(wèn)題上都具有啟發(fā)意義。Zarrouk等[49]開(kāi)發(fā)了全球第一款單獨(dú)制動(dòng)器波形機(jī)器人(又叫SAW機(jī)器人)，其設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔，全身上下僅有一個(gè)馬達(dá)和一個(gè)剛性螺旋，這個(gè)螺旋被嵌在類似于履帶的3D打印鏈條中。當(dāng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，使履帶產(chǎn)生上下蠕動(dòng)的“波浪”，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。SAW機(jī)器人的應(yīng)用方向可分為兩類：一是在復(fù)雜環(huán)境內(nèi)進(jìn)行安全檢查，例如隧道、管道及倒塌的建筑物內(nèi)；二是將機(jī)器人縮小到厘米或毫米尺寸，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)人體檢查、治療等方面。

4.2 抓取作業(yè)

軟體機(jī)器人在執(zhí)行抓取作業(yè)時(shí)因其自身的柔軟性而能改變自身形態(tài)，對(duì)一些易碎品和不規(guī)則物體進(jìn)行抓取時(shí)，采取包裹形式的抓取，不會(huì)損壞物體。夾具類型包括指狀致動(dòng)器夾取、彎曲卷繞和懸掛吊起等多種方式。美國(guó)的Soft Robotics公司制作的mGrip[50]是一種全新的機(jī)器人夾具，采用兩個(gè)或者多個(gè)指狀致動(dòng)器抓取物體，如圖14所示。該夾具具有自適應(yīng)性、可重復(fù)性、可靠性、即插即用等特點(diǎn)，已大量用于食品(如面包、餅干等輕量化食品)加工。Glick等[51]設(shè)計(jì)的指狀軟夾具，通過(guò)在其表面加入一種微米大小的楔形圖案來(lái)增強(qiáng)其夾持力。Zhu等[52]提出的夾具包含兩個(gè)相同的柔軟指狀物，每個(gè)指狀物包括氣動(dòng)致動(dòng)器和集成層干擾單元；可以在低剛度下自由變形并且在高加速度期間保持其在高剛度下的抓握穩(wěn)健性。

圖14 mGrip[50]Fig.14 mGrip

Jiang等[53- 54]設(shè)計(jì)了一款基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械臂，如圖15所示，主體采用彈性體框架，每個(gè)巢中都有獨(dú)立的氣動(dòng)裝置，充氣膨脹帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；并進(jìn)行了軟體臂彎曲卷繞物體的抓取測(cè)試。Uppalapati等[55]開(kāi)發(fā)了用來(lái)采摘漿果的新農(nóng)業(yè)機(jī)器人，研究了一種螺旋結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)在物體周圍螺旋旋轉(zhuǎn)的夾持器所獲得的夾持動(dòng)作，可以幫助處理長(zhǎng)、細(xì)和不規(guī)則形狀的物體。Pedro等[56]創(chuàng)造了一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)的軟機(jī)器人夾具，當(dāng)致動(dòng)器施加正氣壓時(shí)，腔的內(nèi)表面膨脹，將物體保持在其內(nèi)部并吊起物體完成抓取，如圖16所示。

圖15 基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的軟機(jī)械臂[53]

Fig.15 Soft manipulator based on honeycomb pneumatic networks

圖16 封閉結(jié)構(gòu)的軟機(jī)器人夾具[56]Fig.16 Closed structure soft robot gripper

5 傳感與控制

5.1 傳感

軟體機(jī)器人的柔軟和高度的形狀適應(yīng)性，增加了建模和感知的難度，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。普通商用柔性傳感器的彈性模量一般大于硅膠材料的彈性模量，且型號(hào)和形狀固定，對(duì)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)前學(xué)者們致力于開(kāi)發(fā)柔性電子器件和人造皮膚等，以提高柔性傳感技術(shù)，在材料和加工工藝上有了新的進(jìn)展。例如Park等[57]使用一種嵌入式液體導(dǎo)體制作具有高柔軟和可以拉伸的多模態(tài)感應(yīng)能力的人造皮膚，將具有嵌入微通道的3個(gè)超彈性硅橡膠層堆疊并粘合，填充有E-GaIn液態(tài)導(dǎo)體的微通道通過(guò)按壓或拉伸而變形時(shí)，微通道的電阻由于其減小的橫截面積和增加的通道長(zhǎng)度而增加，從而可以檢測(cè)壓力、應(yīng)變、彎曲的改變。

Araromi等[58- 59]在研究可穿戴機(jī)器人的過(guò)程中開(kāi)發(fā)了新型柔性壓力傳感器：2016年提出了使用薄膜涂層生產(chǎn)具有各向異性和導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體來(lái)制造新型柔性壓力傳感器，利用向薄膜表面施加垂直壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致面內(nèi)電阻顯著降低的效應(yīng)來(lái)構(gòu)建一個(gè)靈活的壓力開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明該開(kāi)關(guān)可以承受高于5 kPa的壓力變化，證明了這些各向異性導(dǎo)電復(fù)合材料在開(kāi)發(fā)用于自主軟體機(jī)器人系統(tǒng)或可穿戴壓力響應(yīng)裝置的高響應(yīng)性和柔性壓力傳感器方面有巨大的潛力；2017年提出了一種靈活的電容式壓力傳感器(該傳感器由導(dǎo)電性織物和微結(jié)構(gòu)硅樹脂介電層制成)，利用傳感器介電層的厚度變化會(huì)導(dǎo)致傳感器電容的改變這一原理來(lái)檢測(cè)壓力的變化，將傳感器集成到紡織手套中，展示了軟壓力傳感器在檢測(cè)抓力方面的應(yīng)用。

除了有檢測(cè)壓力變化的傳感器外，還有檢測(cè)彎曲角度的傳感器。通過(guò)確定電感變化與彎曲角度之間的關(guān)系，Prituja等[60]提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的新型軟電感螺線管彎曲傳感器，其檢測(cè)原理是：當(dāng)傳感器受到外界壓力時(shí)，其內(nèi)部電磁場(chǎng)發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)變化率可以確定彎曲量。聚氨酯彎曲傳感器[61]通過(guò)測(cè)量聚氨酯材料變形時(shí)泄漏的光量變化來(lái)估計(jì)聚氨酯的彎曲角度，其檢測(cè)原理是：當(dāng)聚氨酯不彎曲時(shí)，光照全部通過(guò)聚氨酯的內(nèi)部；當(dāng)聚氨酯發(fā)生彎曲時(shí)，一些光會(huì)從聚氨酯中漏出，從而導(dǎo)致材料內(nèi)光量的減少，測(cè)量光量的減少就可以測(cè)量聚氨酯的彎曲。

另外，還有檢測(cè)三維運(yùn)動(dòng)的方案。Scimeca等[62]為了解決軟體機(jī)器人感知的問(wèn)題，提出了一種無(wú)模型的方法，將電容式觸覺(jué)傳感器陣列安裝在軟體手指的根部，通過(guò)視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)學(xué)習(xí)觸覺(jué)傳感器響應(yīng)和指尖空間位置之間的關(guān)系，當(dāng)手指彎曲時(shí)，就可以由觸覺(jué)傳感器的表面壓力變化得到指尖的空間位置。在三維電磁跟蹤系統(tǒng)[63]中，磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生電磁場(chǎng)，安裝在軟執(zhí)行器兩端的磁感應(yīng)傳感器，感應(yīng)執(zhí)行器的位置和方向信息并反饋給信號(hào)放大器。Xu等[64]以硅樹脂為基礎(chǔ)，研制了一種新型生物相容性導(dǎo)電液體應(yīng)變力傳感器，展示了傳感器作為可穿戴設(shè)備檢測(cè)人類手部運(yùn)動(dòng)的能力。與使用不可伸展性的商業(yè)傳感器[65]相比，新型柔性傳感器具有高延展性，能夠更好地適應(yīng)軟體機(jī)器人高度柔順的姿態(tài)。目前的柔性傳感技術(shù)雖然取得了一些突破，但尚處在初步研究階段，未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，開(kāi)發(fā)低成本、高精度電子傳感設(shè)備仍是一個(gè)難題。

5.2 建模和控制

與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人有本質(zhì)區(qū)別的是，這些高自由度機(jī)器人的設(shè)計(jì)、分析和控制還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的框架。特別是軟體機(jī)器人的建模和控制一直是一個(gè)難以攻克的問(wèn)題，目前軟體機(jī)器人的建模還是采用連續(xù)剛形體方程。最簡(jiǎn)單和最常用的運(yùn)動(dòng)模型是假設(shè)三維連續(xù)體的構(gòu)型空間可以由3個(gè)參數(shù)表征，通常稱為常曲率(CC)近似[66]。由于一個(gè)具有常曲率圓弧覆蓋的平面連續(xù)體機(jī)器人，其每一小節(jié)的曲率都近似恒定，因此，CC模型只有在穩(wěn)態(tài)條件下才真正有效。對(duì)于多段連續(xù)體或軟機(jī)械臂，將每個(gè)CC段接合在一起，就可以得到分段常曲率(PCC)模型[67]，是軟體機(jī)械臂常用的建模方法。Trivedi等[68]利用梁理論和Cosserat桿理論，提出了一種更為復(fù)雜的梁理論建模方法。Martín等[69]提出了一種基于循環(huán)坐標(biāo)下降(CCD)的自然-CCD算法，用于求解超冗余柔性機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。Renda等[70]基于連續(xù)Cosserat模型的離散化，提出了一種新的用于多分段軟機(jī)械手動(dòng)力學(xué)的分段恒定應(yīng)變模型，開(kāi)發(fā)了兩種有效的遞歸算法，獲得了較好的模型精度，大大縮短了計(jì)算時(shí)間。Hyatt等[71]提出了一種確定軟體機(jī)器人手臂近似運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的方法(即任務(wù)空間控制方法)，該方法能夠精確定位大型軟體機(jī)器人操縱器的末端執(zhí)行器，在移動(dòng)軟體機(jī)器人手臂的同時(shí)收集數(shù)據(jù)，并連接到軟體機(jī)器人的姿勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)。以上建模方法在實(shí)際運(yùn)用中都存在較大的局限性和建模誤差；動(dòng)力學(xué)方程過(guò)于復(fù)雜，較難運(yùn)用于實(shí)際控制任務(wù)中。

除了改進(jìn)建模方法外，學(xué)者們也對(duì)控制方法包括視覺(jué)反饋、閉環(huán)控制等進(jìn)行了探索。Zollo等[72]通過(guò)神經(jīng)反饋實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制功能，引發(fā)的觸覺(jué)響應(yīng)使得軟體機(jī)器人能夠成功實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的抓握和操縱任務(wù)。Wang等[73]利用視覺(jué)伺服控制軟體機(jī)械臂定位目標(biāo)物體。Mustaza等[74]采用拉格朗日方法推導(dǎo)出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程，實(shí)施基于材料模型的閉環(huán)軌跡控制，進(jìn)一步驗(yàn)證了衍生模型的可行性并提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制的無(wú)模型方法仍是一個(gè)相對(duì)未知的領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在連續(xù)機(jī)器人控制中的最早應(yīng)用是為了補(bǔ)償動(dòng)態(tài)不確定性。目前，一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的軟體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)發(fā)方法和任務(wù)空間機(jī)械手預(yù)測(cè)控制的軌跡優(yōu)化方法[75]，第一次在軟機(jī)械手上進(jìn)行模擬，這種方法有望為軟體機(jī)器人操縱器開(kāi)發(fā)快速準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，同時(shí)適用于各種軟機(jī)械手。Thuruthel等[76]利用軌跡優(yōu)化和監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，提出了一種基于模型的增強(qiáng)學(xué)習(xí)方法，該方法應(yīng)用在軟體機(jī)器人的閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制中，可以直接學(xué)習(xí)閉環(huán)控制策略，而不需要分析模型，但該方法沒(méi)有分析機(jī)械手設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系，很難確定建模誤差的來(lái)源或開(kāi)發(fā)最佳設(shè)計(jì)策略。之后Thuruthel等[77]又提出了一種基于嵌入式軟傳感器和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柔性執(zhí)行器實(shí)時(shí)感知的非模型方法，可用于執(zhí)行器無(wú)模型的實(shí)時(shí)多模態(tài)傳感。該方法具有高度通用性，能夠交換傳感器信息、感應(yīng)模式和系統(tǒng)本身，而無(wú)需對(duì)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行任何更改，但此方法目前依賴于獨(dú)立的外部傳感技術(shù)提供參考反饋，在不同的結(jié)構(gòu)中傳感器需重新布置。

對(duì)于軟體機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制，依然是一個(gè)難以解決的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)目前軟體機(jī)器人控制方法的研究可以看出，由于缺乏更好的分析模型，非模型方法顯示出良好的控制效果，因此將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于從執(zhí)行器空間到任務(wù)空間的動(dòng)態(tài)映射學(xué)習(xí)，是一種可行的研究方法。

6 總結(jié)與展望

機(jī)器人是社會(huì)技術(shù)變革的基礎(chǔ)，而軟體機(jī)器人將成為這種變革的一部分。在過(guò)去的幾年里，軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得了許多令人興奮的進(jìn)展。傳感和驅(qū)動(dòng)方面的新方法，新材料及其結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)有制造技術(shù)的顯著改進(jìn)，已經(jīng)產(chǎn)生了功能強(qiáng)大的軟設(shè)備和軟體機(jī)器人。其驅(qū)動(dòng)方式主要有氣體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)等，化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)和新材料的興起，讓化學(xué)有機(jī)會(huì)在其發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。隨著人類向?qū)嵱眯浴⒉皇芗s束性的系統(tǒng)邁進(jìn)，在靈敏度、強(qiáng)度和效率方面的改進(jìn)變得越來(lái)越重要。同時(shí)，對(duì)軟體機(jī)器人的高效制造和精確控制是未來(lái)發(fā)展的方向。在不久的將來(lái)，該領(lǐng)域的進(jìn)步將開(kāi)始產(chǎn)生新的消費(fèi)，在醫(yī)療和工業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域，將對(duì)人類如何與機(jī)器和電子設(shè)備互動(dòng)產(chǎn)生革命性的影響。這些進(jìn)步將需要在柔軟的多功能材料方面不斷取得進(jìn)展，以及在仿生研究、建模、控制和用于軟體機(jī)器人自主學(xué)習(xí)的機(jī)器智能方面取得突破。