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        如何制造一個完美的機器人

        2016-12-21 01:37:07文|馬
        今日中國·中文版 2016年12期
        關(guān)鍵詞:腕足軟體章魚

        文|馬 迪

        如何制造一個完美的機器人

        文|馬 迪

        機器人真的只能是堅硬結(jié)實的嗎?或者說,如果不使用金屬,我們還能造出機器人來嗎?答案是肯定的。

        對一個80后來說,提起機器人,我第一個想到的就是變形金剛,像擎天柱、威震天、大黃蜂那樣,既靈活可變,又鋼筋鐵骨。到后來的終結(jié)者、機械公敵、瓦力……這些銀幕上的機器人形象,無一不是響當(dāng)當(dāng)、硬邦邦的。直到2015年,全世界認(rèn)識了《超能陸戰(zhàn)隊》中的大白。這個充氣醫(yī)療機器人有著圓潤的線條,像是一只超大號的氣球,柔軟又溫暖。

        這不禁令人思索,機器人真的只能是堅硬結(jié)實的嗎?或者說,如果不使用金屬,我們還能造出機器人來嗎?答案是肯定的。

        其實,從本世紀(jì)初開始,研究者一直在尋求使用較軟的材料(而不是常見的金屬和塑料)來制造機器人。“軟體機器人”領(lǐng)域,目標(biāo)是創(chuàng)造更有彈性、可塑性和安全性的產(chǎn)品。同傳統(tǒng)機器人相比,它們靈活、適應(yīng)性強,能更好地適應(yīng)各種環(huán)境,承擔(dān)更大的沖擊力,有望在醫(yī)療、軍事、地質(zhì)等多個領(lǐng)域發(fā)揮作用。

        為了設(shè)計真正的軟體機器人,研究人員煞費苦心。大自然是最好的設(shè)計師,既柔軟又強壯的章魚成了“首席模特”。章魚沒有內(nèi)外骨骼,八只爪子能靈活地伸向各個方向,能緊緊地纏繞物體,能自由伸長或縮短,它甚至還擁有很高的智商—相比于其他的軟體動物,章魚的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展的更為完善—當(dāng)然,機器人設(shè)計者更關(guān)心的是章魚的身體。

        來自哈佛大學(xué)的Octobot(章魚機器人)就是世界上第一部真正意義上的軟體機器人。它的名字取自章魚的octopus和機器人robot,一眼就能看出其章魚的屬性。它的外形也酷似章魚,只有手掌大小,全身由柔軟的硅膠構(gòu)成,整體呈現(xiàn)半透明甚至完全透明。這樣一目了然、看不見一星半點的螺絲彈簧的機器人,究竟是怎么動起來的呢?

        事實上,軟體機器人的設(shè)計過程中,最困難的部分就是如何使用軟質(zhì)部件來替換硬質(zhì)的電池和電子控制系統(tǒng)等部件。在此之前的軟體機器人都有同樣的問題:雖然肢體柔軟,但“心”仍然是硬的—控制系統(tǒng)仍然用常規(guī)泵閥,驅(qū)動系統(tǒng)也仍然要用剛性連接,并沒有做到完全的柔軟、靈活。

        Octobot就不一樣了,它全身沒有任何硬質(zhì)部件,不僅軀干,連控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)也使用柔性材料。Octobot屬于氣動式機器人,它的動力來自于一種常見的液體燃料—50%濃度的過氧化氫溶液。在鉑的催化下,燃料快速生成大量的水和氧氣,膨脹并增加通道內(nèi)的壓強,機械臂因此舒展。和一般的電子回路相比,Octobot的回路中傳遞的不是電子,而是液體和氣體。

        更妙的是,Octobot可以自主完成一系列動作(當(dāng)然,動作還很簡單)。也就是說,它是真正的自主機器人—能夠進行很好的自我反饋、自我調(diào)整,按照“設(shè)定程序”去活動。

        Octobot的“大腦”是一個柔性微流體回路。當(dāng)其中的壓強加大時,就會打開一些微閥門,關(guān)上另一些微閥門,令四條腕足充滿氧氣;壓強降低則逆轉(zhuǎn)這個過程,系統(tǒng)切換,另外四條腕足也發(fā)生同樣的變形運動。就這樣系統(tǒng)不斷切換,機器人的腕足就交替地動起來了。

        但目前而言,Octobot還不是一件成熟的產(chǎn)品。添加一次燃料(1毫升)只能維持它大約4-8分鐘的動力,自主運動模式也比較單一,還無法實現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向。研究者也承認(rèn):“我們需要解決的問題是,如何對機器人重新編程,讓其執(zhí)行不同的運動并對環(huán)境做出反應(yīng),而不僅僅是執(zhí)行預(yù)編程的指令?!?/p>

        也就是說,Octobot目前只是一種技術(shù)的展示,并沒有實際用途。也許你會認(rèn)為,這樣概念性的軟體機器人并沒有什么用。的確,軟體機器人的結(jié)構(gòu)和材料是非線性的,且擁有更高的自由度,這意味著動作更復(fù)雜,對算法和控制系統(tǒng)的要求更高。這將耗費幾代人的心血。但換個角度想,一旦將軟性材料的研究提高到一定程度,軟硬材料結(jié)合便能創(chuàng)造出近乎完美的機器人了—一種更穩(wěn)定、更敏捷、更近似于人的機器人。

        如果想要研制出和人類更接近的機器人,對軟體機器人的研究不可或缺。人體85%都是柔軟柔韌的軟組織,許多能力都依賴于這種“軟”。比如想要握住一只玻璃杯,我們的手指會適應(yīng)杯子的形狀,如果手指毫無彈性,抓住這個玻璃杯難度顯然會大得多。因此,機器人能在多大程度上模仿人和人的行為,軟性材料的研究至關(guān)重要。

        隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家欣喜地發(fā)現(xiàn),軟體機器人的時代似乎終于到來了。前文提到的Octobot,就是靠3D打印技術(shù)制成,并且價格低廉—單個Octobot 所用的全部材料加起來還不到3美元。成本之低廉令人意想不到,這也將大大降低機器人的制造成本。

        軟體機器人對于人類未來生活的作用將是巨大的,它將能做很多剛性機器人無法做到的事情,例如進入極狹小、極曲折的復(fù)雜空間,照顧最柔弱的生命體等等。研發(fā)軟體機器人是該領(lǐng)域的一個必然趨勢,但是不管什么時候,軟體機器人都不能完全取代剛性機器人。只要兩種技術(shù)相輔相成,打造完美的機器人也就不再遙遠(yuǎn)了。

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