機(jī)械章魚能像真正的章魚那樣移動。圖片來源：Science Museum

2007年，Cecilia Laschi讓父親為其在意大利里窩那市的海濱實驗室抓一只活章魚。后者以為Laschi瘋了：作為消遣性的釣魚人，他認(rèn)為章魚是如此容易被抓住，因此這肯定是一種非常愚蠢的動物。那么，一名同金屬和微處理器打交道的機(jī)器人學(xué)研究者到底想用這種柔軟黏糊的頭足類動物干什么？

不管怎樣，這位老人還是在托斯卡納海岸抓了一只章魚，并把它交給在比薩圣安娜高等學(xué)校工作的女兒。Laschi和學(xué)生將這只動物放在一個鹽水水箱中，從而研究它是如何抓到零碎的鳀魚和螃蟹的。隨后，該團(tuán)隊著手建造能模擬這些動作的機(jī)器人。

通過一個個原型，他們終于創(chuàng)建了一個帶有內(nèi)部彈簧和電線的人造觸手。該設(shè)備能以一種活靈活現(xiàn)的方式呈現(xiàn)波浪形狀、伸長、收縮、變硬和彎曲。“這是一種完全不同的機(jī)器人建造方法。”Laschi說。

過去10年間，這種方法已成為機(jī)器人學(xué)的重要研究前沿。該領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師通常受到擁有堅硬骨骼的人類和其他動物的啟發(fā)，一直致力于研究硬體機(jī)器人。這些機(jī)器擁有只能圍著固定關(guān)節(jié)彎曲和變直的僵硬四肢，因此其具備的優(yōu)點是能以數(shù)學(xué)上可預(yù)測的方式移動。不過，它們還要求一絲不茍的程序編寫和大量的反饋，以避免撞向其他物體。即便這樣，在同人類、新物體打交道，或者處于崎嶇的山路和其他無法預(yù)測的情形中時，它們的移動也經(jīng)常變得不穩(wěn)定，甚至帶來危險。

受章魚、毛毛蟲或魚類等靈活性動物啟發(fā)而建造的機(jī)器人提供了一種解決方法。主要由柔韌或彈性材料建造的柔軟機(jī)器人能自己改變形狀，以適應(yīng)周圍環(huán)境，而不需要大量（并且通常不完美）的計算。盡管一些此類機(jī)器利用電線或彈簧模擬肌肉和筋腱，但總體上，柔軟機(jī)器人放棄了定義此前一代機(jī)器人的骨骼。這些機(jī)器沒有像骨頭或關(guān)節(jié)之類的部件，能以全新的方式伸展、蜷縮和擠壓。它們可改變形狀或大小，環(huán)繞物體，甚至比以往任何時候都能更加安全地碰觸人類。

順暢地移動

如今，全球數(shù)百萬臺工業(yè)機(jī)器人均源自同一種基本構(gòu)想。這些由金屬結(jié)合在一起的機(jī)器利用其沉重而僵硬的四肢，在汽車組裝線和工業(yè)產(chǎn)房中承擔(dān)著繁重的體力勞動。其速度、力量和盲目的重復(fù)都是人類難以企及的。不過，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人要求專業(yè)的編程、受到嚴(yán)格控制的條件以及對自身移動的持續(xù)反饋，從而精確地知曉何時以及如何移動它們諸多關(guān)節(jié)中的每一個。同時，它們無法勝任超出編程參數(shù)的任務(wù)，并且會在無法預(yù)測的環(huán)境中完全不起作用。大多數(shù)機(jī)器人必須呆在柵欄后面，以保護(hù)它們的人類工友免受無意的傷害。

“想象一下系鞋帶有多難。”美國麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)和人工智能實驗室主任Daniela Rus介紹說，“這種能力正是我們想讓機(jī)器人具備的。”

過去10年間，這一愿望觸發(fā)了日益增加的興趣，即研發(fā)能處理有著高精度要求或不可預(yù)測情形并直接同人類合作的更輕、更廉價機(jī)器人。包括Laschi在內(nèi)的一些機(jī)器人專家認(rèn)為，柔軟材料和生物啟發(fā)性設(shè)計能提供答案。

Laschi說，這種想法起初很難讓人接受。“剛開始，非常傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)會議并不想接收我的論文。”她說，“但如今已有專門針對這個主題的完整會議。”幫助激發(fā)起興趣的是在高分子科學(xué)領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展，尤其是鑄造、模塑或3D打印聚合物形成自定義繪圖物體技術(shù)的開發(fā)。這使得機(jī)器人專家能更加自由、迅速地嘗試制造各種柔軟的形式。

結(jié)果是，目前已有30多家機(jī)構(gòu)加入于2013年啟動的軟機(jī)器人協(xié)作組織。第二年則見證了專業(yè)期刊——《軟機(jī)器人技術(shù)》的推出，以及被稱為“軟機(jī)器人技術(shù)工具箱”的開放獲取資源的上線。后者是一個由愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院和哈佛大學(xué)研究人員開發(fā)的網(wǎng)站，能讓研究者和業(yè)余愛好者共享技巧，并找到可供下載的設(shè)計和其他信息。

抓住市場份額

盡管大多數(shù)機(jī)器人仍呆在實驗室里，但哈佛大學(xué)軟機(jī)器人技術(shù)研究者、化學(xué)家George Whitesides創(chuàng)造的一些機(jī)器人正冒險“出門”，滿足工業(yè)界對靈巧機(jī)器手的需求。傳統(tǒng)抓手需要關(guān)于物體位置、形狀、重量和輕滑度等因素的詳細(xì)信息，以便準(zhǔn)確地移動每個關(guān)節(jié)。一種系統(tǒng)或許能專門對付洗發(fā)水瓶，另一種只能撿起小孩的玩具，其他系統(tǒng)則需要用于抓住T恤衫。不過，隨著制造商更新其產(chǎn)品線，以及電子商務(wù)倉庫要處理種類日益增多的物品，這些公司需要換上定制的抓手，并且為每種不同的應(yīng)用更新控制算法。這通常需要很大的成本并耽擱時間。

相反，主要由柔軟和彈性材料建造的抓手能包裹并適應(yīng)不同形狀和尺寸的物體。位于馬薩諸塞州劍橋市的初創(chuàng)公司——軟機(jī)器人技術(shù)于2013年從Whitesides的研究中分離出來，目前已籌集到約450萬美元用于開發(fā)彈力機(jī)械爪生產(chǎn)線。

這些機(jī)械爪全部由彈性聚合物制成，當(dāng)空氣通過其內(nèi)部通道時便會彎曲。僵硬的機(jī)器手必須仔細(xì)計算每個手指的移動，新抓手的柔軟度則能使其圍著物體表面變形，直到緊緊抓住物體，而不會造成任何損害。它甚至能撿起蘑菇、收獲草莓，并將西紅柿從藤上摘下來。傳統(tǒng)上，這些任務(wù)均要求工人小心的碰觸。軟機(jī)器人技術(shù)公司在2015年6月發(fā)布了首個用于售賣的抓手，目前則正在同涉及包裝和食物處理的6家客戶公司運行試驗程序。

對位置的感知

隨著機(jī)械章魚、毛毛蟲、海星和其他延展性機(jī)器的出現(xiàn)，一些科學(xué)家開始聚焦控制這些設(shè)備行動的更好方法。“我們討論的是松軟、有彈性的材料。”印第安納州普渡大學(xué)機(jī)械工程師Rebecca Kramer介紹說，“當(dāng)有東西在一邊移動，你并不是很確定機(jī)器的其他部分將在哪里停止。”這便是為何很多應(yīng)用可能需要額外的傳感器監(jiān)控移動。然而，傳統(tǒng)的位置和力傳感器——僵硬或半僵硬的電子元器件——未必總能和經(jīng)歷了極端形狀改變的軟機(jī)器人很好地“相處”。

諸如Yong-Lae Park等工程師正在通過研發(fā)可伸縮的電子傳感器解決該問題。在卡耐基梅隆大學(xué)，Park致力于研究含有夾在硅橡膠片中間的液態(tài)金屬電路的黏性貼片。這些液態(tài)電路以包括螺旋和條紋在內(nèi)的各種模式澆筑成型，從而通過定制感知設(shè)備何時以及朝哪個方向被擠壓或拉伸。

“可伸縮傳感器能和皮膚一樣敏感，這取決于你如何設(shè)計它們。你可以將它們調(diào)整到對手指輕微擦過或一個重30磅的物體作出反應(yīng)。”康奈爾大學(xué)機(jī)械工程師Robert Shepherd表示。他開發(fā)出一種方法，可直接在軟機(jī)器人上3D打印對拉伸敏感的“皮膚”。

可伸縮傳感器在迅速發(fā)展的可穿戴機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。在美國軍方的資助下，來自哈佛大學(xué)的Conor Walsh花費數(shù)年研發(fā)并改良了一種為士兵打造的軟機(jī)械護(hù)甲。它很柔軟，類似于較早的“鐵人”外骨骼，旨在幫助士兵長距離搬運沉重的載荷。Walsh介紹說，用戶仍能感覺到有設(shè)備在幫助他們移動，但穿著這種衣服行走會感覺“非常自然”。這是對傳統(tǒng)外骨骼的一個較大改進(jìn)。Walsh的衣服利用了由尼龍、聚合物和氨綸制成并且策略性地沿腿部放置的帶子，而不是笨重且僵硬的套子。一些位置和加速度傳感器——目前還是標(biāo)準(zhǔn)的僵硬設(shè)備——能幫助監(jiān)控穿戴者的步態(tài)，并在關(guān)鍵時刻提供幫助。Walsh表示，下一步是將可伸縮傳感器包括進(jìn)來，從而產(chǎn)生更柔軟、更舒適的體驗。（宗華）

《中國科學(xué)報》 (2016-02-15 第3版 國際)