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什么是柔性機器人？柔性機器人的材料和驅動

近日，一篇刊登在最新一期《美國化學會—應用材料與界面》雜志上的論文又將“柔性機器人”這一概念拉回人們視線中，中科院理化技術所的研究人員新發現，鎵基液態合金在犧牲金屬或電場的刺激下可變色特點，加上其優異的導熱性和導電性、低粘度、良好的流動性和生物相容性，顯示出了一定條件下可以變形和運動的能力；為柔性機器人提供可變性變色材料結構優化的可能性。早在2015年，中國科學家就在世界上首次根據液態金屬在電場下自主運動可變形的特性從理論和技術層面論證了液態金屬柔性機器人的可能性。此前，中國科學院理化技術研究所研究員、清華大學教授劉靜在其撰寫的室溫液態金屬綜述文章中也曾寫道，“液態金屬可變形機器效應的發現，有望促成柔性機器理論與技術取得重大突破。” 什么是柔性機器人？新加坡國立大學機械工程系教授朱建曾給出過一個簡單的概念，柔性機器人的特性包括材料的柔軟性、優良的環境適應性、超強的安全性、良好的人機互動性等。我們一般常見的人形機器人的關節大多是僵硬的，跳躍落地時都會重重地砸向地面，傳統的剛性材料很難讓機器人靈活地呈現給大家，未來的機器人應該是朝著更輕、更柔軟、對外部動力依賴程度更低的方向發展，到時候人機協作會更安全、更協調。柔性機器人目前分為工業和生物兩大類，主要是為了應對制造業和醫療行業的需求，有意思的是柔性機器人在不同的領域定義也不完全相同。從制造業的角度來講，柔性機器人是指運用機器視覺的六軸以上的工業機器人。從生物學角度來講，柔性機器人是指模擬生物的柔性與靈活性創造的仿生機器人。后者將被應用至各種復雜環境中幫助甚至代替人們執行特殊、高級的任務。雖然柔性機器人有著諸多優點，但當前大多數的研究還處于實驗室階段，甚至柔性機器人大多使用的還是剛性材料，比如金屬、塑料等材料制成。目前科學界研發出了各種軟體動物機器人，包括蠕蟲機器人，毛毛蟲機器人，章魚和八爪魚機器人等，但大多仍屬于多個硬質單元組成的機構，與柔軟和普適變形乃至融合等高級機器所具備的能力還存在相當大距離，更不同于自然界中人或動物那樣的有著柔軟外表、無縫平滑的連接。所以我們在這里主要討論一下完全由柔性材料構成，沒有多余硬性結構在其中的柔性機器人。那些腦洞大開的柔性機器人斯坦福大學機械工程師從葡萄藤、真菌和神經細胞等可通過生長而覆蓋距離的天然生物獲得設計靈感，研發了可自我生長的柔性機器人，這種藤狀機器人可以長距離生長，而不會移動其全身，它可以用在搜索，救援行動和醫療應用中。哈佛大學的研究者們出了一款章魚形狀的完全柔性機器人 “Octobot”。這款機器人全身都由軟軟的柔性材料構成，不需要外接動力，自己就能運動起來。浙江大學航空航天學院、浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實驗室李鐵風副教授和黃志龍教授課題組從海洋生物鰩魚（蝠鲼）的柔軟身體與柔性撲翼推進獲得啟發，利用介電高彈體薄膜作為軟體人工肌肉驅動器。來自凱斯西儲大學的研究人員則開發了一種基于折紙設計的新型3D打印柔性機器人，其可變形性使其形狀變形來吸收額外的力，不需要任何額外的傳感器來檢測力并調整自身。因此，必要的人力干預量急劇減少并且軟而安全。柔性機器人的材料和驅動需要高靈活性和可變形性的柔性機器人，主要技術難點在于其構成材料，其次在于驅動上，因為傳統的剛性連接器和外殼已不再適用，人們會想辦法保證其材料的柔軟性，目前比較常見的是通過3D打印的方式來制作“外殼”，比如水凝膠造出的膠狀機器人，MIT的一個研究團隊就做了嘗試性的試驗，他們用3D打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實現“身體”的“柔韌性”，然后通過液壓驅動的方式驅動機器人的運動。再就是通過一些特殊的材料來打造類似于人造肌肉的材料，像電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金這樣的物質都是人造肌肉的良好材料，以形狀記憶合金為例，它可以根據溫度自動改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實現彎曲、變短、抓取物體等動作。新進展比較多的材料就是文章一開始提及的液態金屬，可以在電、磁、光、熱、化學、機械等外場控制下，在不同的形態和運動模式上任意切換，甚至吃”掉“燃料”后，能夠自主運動等類生物行為。。從材料來看，主要是電力驅動，比如上述的人造肌肉材料等職能材料需要通電產生的形變產生驅動力，其次就是利用環境的變化來獲取動力，如溫度、空氣以及光照等方式。但是這些驅動方式也有很大的隱患，機器人的運動精度控制上有難度，另一方面，如果驅動機器人運動所需的電場強度過高，也會影響它在一定范圍內的運動。所以目前雖然柔性機器人的研究機構頗多，研究方向也不同，但離落地使用，還有很長一段路要走，柔性機器人或許能令我們人類開發生物啟發下的人工智能，從而將其應用到更多不同場景。

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