速度最快軟體機(jī)器人：受獵豹啟發(fā)，獨(dú)創(chuàng)具有彈簧動(dòng)力的雙穩(wěn)態(tài)脊柱

寇建超

北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械與航空工程系助理教授尹杰

疫情之下，由于人與人之間的社交隔離需求，長(zhǎng)期的遠(yuǎn)程工作使得機(jī)器人行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展。

當(dāng)前，大多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)器人（剛性機(jī)器人）由硬質(zhì)材料制成，輸出力量大、速度快且精度高，但傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性很差，在一定程度上不能滿足人類的一些特定需求。與剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人具有高順應(yīng)性、適應(yīng)性和安全性等特點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、救災(zāi)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，軟體機(jī)器人吸引了人們極大的研究興趣。由于軟體機(jī)器人的高安全性以及與人類、惡劣環(huán)境的自適應(yīng)交互，軟體機(jī)器人具備傳統(tǒng)剛性機(jī)器人難以 “擁有” 的功能。比如，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。

但是，由于軟體材料的內(nèi)在限制，要使軟體機(jī)器人具備高速移動(dòng)和高強(qiáng)度操作等高性能特征，依然存在不小的挑戰(zhàn)。另外，新的軟體結(jié)構(gòu)對(duì)材料和傳感技術(shù)的要求越來越高，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)亟待解決的問題。

到目前為止，大多數(shù)軟體機(jī)器人在陸地和水下都表現(xiàn)出相對(duì)較慢的移動(dòng)速度，軟機(jī)械臂的有效載荷能力也有限，遠(yuǎn)低于動(dòng)物和剛性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和高強(qiáng)度操作。開發(fā)剛?cè)岵?jì)的新材料、高效制造和精準(zhǔn)控制是研究軟體機(jī)器人的未來方向。

獵豹是陸地上奔跑速度最快的生物，它們通過彎曲脊柱來獲得速度和力量。受獵豹的生物力學(xué)啟發(fā)，北卡羅萊納州立大學(xué)機(jī)械與航空工程系助理教授尹杰團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種新型軟體機(jī)器人——LEAP 機(jī)器人，無論是在固體表面，還是在水中，該機(jī)器人都比其他軟體機(jī)器人移動(dòng)得更快，該機(jī)器人還可以輕松地抓取物體，也具有足夠大的力量舉起重物。相關(guān)研究論文已發(fā)表在《科學(xué)》子刊《科學(xué)·探索》上。

此外，軟體機(jī)器人通常被設(shè)計(jì)為用于移動(dòng)或操作等單一目的，一個(gè)通用的軟體機(jī)器人，可以在不同的工作場(chǎng)景下服務(wù)于多個(gè)目的，大大提高其工作效率和功能多樣性。

LEAP 軟體 機(jī) 器 人 學(xué)習(xí) 獵 豹 的 奔跑方式

“LEAP 機(jī)器人最大的亮點(diǎn)是，它是一款如 ‘飛馳的獵豹 一般的軟體機(jī)器人，其速度比當(dāng)前市場(chǎng)上最快的軟體機(jī)器人快 3 倍左右。” 尹杰說道。尹杰還表示，除了快速奔跑、抓取易碎物品、抬舉重物等，LEAP 機(jī)器人還可能用于膝關(guān)節(jié)的康復(fù)，以協(xié)助患者步行和跑步。

飛馳的小型 “獵豹”

一般情況下，高速運(yùn)動(dòng)的物體需要具有響應(yīng)速度快、輸出動(dòng)力大、應(yīng)變儲(chǔ)能高、運(yùn)動(dòng)精度度高的特點(diǎn)。由于材料的柔軟性和結(jié)構(gòu)的柔順性，軟體機(jī)器人通常表現(xiàn)出力量小、變形大和響應(yīng)時(shí)間慢等特點(diǎn)，且軟體材料也難以快速儲(chǔ)存和釋放大量機(jī)械能。這就限制了軟體機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)和高強(qiáng)度操作中的應(yīng)用。

尹杰認(rèn)為，“現(xiàn)有的軟機(jī)器人只是一個(gè) ‘爬行器，它們始終與地面保持接觸，這限制了它們的速度?！?研究團(tuán)隊(duì)受到獵豹的啟發(fā)，創(chuàng)造了一種具有彈簧動(dòng)力、“雙穩(wěn)態(tài)” 脊柱的軟體機(jī)器人，這種機(jī)器人具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過將空氣泵入軟硅膠機(jī)器人內(nèi)襯的通道中，在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間快速切換，在幾十毫秒內(nèi)快速存儲(chǔ)和釋放能量，使機(jī)器人可以快速對(duì)地面施加力?！斑@使得機(jī)器人能夠在地面上飛奔，這意味著它的腳離開了地面?！?據(jù)論文描述，當(dāng)前最快的軟體機(jī)器人能以每秒 0.8 倍體長(zhǎng)的速度在平坦的固體表面上移動(dòng)，而 LEAP 機(jī)器人能在 3Hz 的低驅(qū)動(dòng)頻率下以每秒 2.7 倍體長(zhǎng)的速度 “飛馳”，快了 2 倍還多。

此外，LEAP 機(jī)器人還能在陡峭的斜坡上前進(jìn)，這對(duì)那些向地面施加較小作用力的軟體機(jī)器人來說，可能會(huì)有很大的挑戰(zhàn)或根本不可能實(shí)現(xiàn)。研究人員還表示，LEAP 機(jī)器人的設(shè)計(jì)可以提高游泳速度，通過安裝一個(gè)“鰭”，LEAP 機(jī)器人能夠以每秒 0.78 個(gè)身長(zhǎng)的速度游泳，而之前游泳軟體機(jī)器人的最快速度是每秒 0.7 個(gè)身長(zhǎng)。

研究人員指出，這項(xiàng)工作可以作為一個(gè) “概念證明”，他們認(rèn)為可以通過修改原有設(shè)計(jì)使 LEAP 機(jī)器人更快、更強(qiáng)大。

“多功能” 軟體機(jī)器人

尹杰表示，除了論文內(nèi)描述的快速搜索、救援等潛在的應(yīng)用，由于 LEAP 機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于快速響應(yīng)和由低到高的可調(diào)節(jié)動(dòng)力，它在有高效率需求的場(chǎng)景中應(yīng)用潛力巨大。

例如，在化妝品、食品和醫(yī)藥行業(yè)產(chǎn)品線上快速拾取和包裝易碎的移動(dòng)物體?！拔覀冞€展示了幾個(gè) LEAP 機(jī)器人如何一起工作來抓取物體?！?尹杰說：“通過調(diào)整 LEAP 機(jī)器人施加的力，可以舉起像雞蛋一樣易碎的物體，以及重達(dá) 10 公斤及以上的物體。”

這是截取的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度影像畫面，最上方的機(jī)器人改進(jìn)后速度優(yōu)勢(shì)明顯

由于LEAP 機(jī)器人結(jié)合了剛性機(jī)器人的高動(dòng)力和軟機(jī)器人的高順應(yīng)性與安全性等優(yōu)點(diǎn)，LEAP 機(jī)器人未來的商業(yè)化模式還可以跑步軟體機(jī)器人和康復(fù)軟體機(jī)器人。尹杰表示，LEAP 機(jī)器人還可能用于膝關(guān)節(jié)的康復(fù)，以協(xié)助患者步行和跑步?！癓EAP 機(jī)器人通過‘脊椎的彎曲和伸展實(shí)現(xiàn)了快速奔跑，你也可以把它當(dāng)作一個(gè)軟性關(guān)節(jié)，通過模擬膝關(guān)節(jié)來幫助病人行走?！?/p>

LEAP 機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于快速響應(yīng)和由低到高、可調(diào)節(jié)的動(dòng)力。在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中，機(jī)器人的輔助模式必須根據(jù)患者病情的不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的訓(xùn)練。比如，針對(duì)康復(fù)初期患者，其肌力較弱，一般需要機(jī)器人提供較大的驅(qū)動(dòng)力輔助患者完成運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練;而隨著患者肌力的逐漸恢復(fù)，機(jī)器人可以逐步減小輔助力，并逐漸由助力轉(zhuǎn)化為阻力，以加大患者的訓(xùn)練強(qiáng)度，改善康復(fù)效果。在下肢康復(fù)方面，主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式還需要進(jìn)一步研究，包括進(jìn)一步改善意圖識(shí)別精度、改善操作柔順性等。

據(jù)論文描述，這項(xiàng)研究建立了新一代高性能軟體機(jī)器人的通用設(shè)計(jì)范例，這種機(jī)器人將適用于多功能性、不同的驅(qū)動(dòng)方法和多尺度的材料。

不足和期望

當(dāng)前的 LEAP 機(jī)器人還存在一些缺點(diǎn)和不足。其中之一是，LEAP 機(jī)器人是一種由氣動(dòng)空氣驅(qū)動(dòng)的繩系機(jī)器人——要想在將來的現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用，它必須是一個(gè)不受束縛的自主機(jī)器人。對(duì)此，尹杰表示，利用其他遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) LEAP 機(jī)器人的變形和運(yùn)動(dòng)，可以解決這一問題。例如，通過將小型電源、傳感器和微控制器集成到 LEAP 機(jī)器人內(nèi)部進(jìn)行無線控制;或通過控制磁場(chǎng)用磁力驅(qū)動(dòng)代替氣動(dòng)驅(qū)動(dòng);再或者用溫度或光敏液晶聚合物等刺激響應(yīng)型材料代替復(fù)合軟體材料。另一點(diǎn)在于如何控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橐窬珳?zhǔn)控制剛性機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作那樣，是很有挑戰(zhàn)性的。

目前的 LEAP 機(jī)器人只是一個(gè)長(zhǎng)約 7 厘米，重約 45 克的 “袖珍” 產(chǎn)品。他希望未來的 LEAP 機(jī)器人具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可大可小。既可以放大到人類和動(dòng)物的大小，在速度上媲美真正的陸地動(dòng)物，也可以縮小到昆蟲、甚至微型機(jī)器人的大小，用于人體內(nèi)的快速藥物遞送或高效健康檢查。尹杰認(rèn)為，隨著 5G 和人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，我們將在未來 3～5 年看到這些新興技術(shù)與機(jī)器人行業(yè)的融合，以實(shí)現(xiàn)更加智能的自主機(jī)器人。

當(dāng)前，新冠肺炎大流行對(duì)各個(gè)行業(yè)造成了很大的影響，既有危機(jī)，也有機(jī)遇。未來，遠(yuǎn)程工作將成為大多數(shù)行業(yè)的選擇，通過將工作轉(zhuǎn)移到線上，來減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員之間的面對(duì)面交流。屆時(shí)會(huì)有大部分工作將通過遠(yuǎn)程操控機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，這就為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)，特別是將人工智能、5G、先進(jìn)傳感器等技術(shù)和產(chǎn)品融合起來的智能機(jī)器人。（摘自美《深科技》）（編輯/諾伊克）