未來的柔性機器人

徐寧

機器人技術(shù)已經(jīng)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？原因是今天的許多機器人只適合用于重復度高、精度要求高的領(lǐng)域，比如汽車裝配。

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(yīng)真實世界。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。

面對這樣的難題，科學家和工程師開始用另一種思路來設(shè)計機器人。首先，它們應(yīng)該更善于完成條件多變的任務(wù);其次，應(yīng)該是柔軟的，這樣才不會傷害人類;最后，生產(chǎn)成本不能太高，不易被損壞。因此，越來越多柔性機器人開始加入機器人的行列。

提起面團的“軟手”

如伺讓機械手抓起柔軟的面團曾經(jīng)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(nèi)的負壓很容易讓面團變形。

2016年，英國某比薩餅生產(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(chǎn)品分別編寫程序，柔軟的表面賦予了夾具與產(chǎn)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(jīng)超過了人類熟練工每分鐘100個的平均速度。充氣軟質(zhì)夾具很好地解決了抓取柔軟物體而不造成破壞的難題。

柔軟外骨骼——“外套”

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(lǐng)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(zhì)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，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“Octobot”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(jīng)3D打印而成，透過透明硅膠能夠看見內(nèi)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(nèi)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(zhì)結(jié)構(gòu)、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(wù)后，便會自然降解成無毒害物質(zhì)?？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(nèi)收集信息，還能進行無創(chuàng)手術(shù)。

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(jié)構(gòu)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(gòu)成機器的泡沫橡膠內(nèi)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(nèi)的電線等障礙物，最終抵達了研究人員預設(shè)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(nèi)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(qū)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。科學家希望“藤”能夠在災(zāi)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(nèi)部高壓下自行密封，此時塑料膜會緊緊包裹住尖銳物體，防止內(nèi)部氣體泄露。

近年來，驅(qū)動、感知、模具成型和控制技術(shù)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，還讓機器人變得更廉價、更智能、更安全。

摘編自《大自然探索》