李卓雨

摘 要 軟體機器人的設(shè)計靈感來源于對生物體內(nèi)部構(gòu)造的模仿。由于采用軟體材料，與傳統(tǒng)機器人相比，具有自由度高、連續(xù)變形能力強和環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點，通常采用流體驅(qū)動等新型驅(qū)動方式。通過對軟體機器人的發(fā)展歷程、分類及其驅(qū)動方式等的研究，探討軟體機器人的應(yīng)用場景，展望未來軟體機器人的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 軟體材料；流體驅(qū)動；軟體機器人

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）224-0109-02

與傳統(tǒng)的剛性機器人相比，軟體機器人由于采用了柔韌性強的材料和仿生學設(shè)計，使它能更好實現(xiàn)彎折、扭曲等動作，甚至可以舉起數(shù)倍于自身重量的物體。這些特性使其在人機交互、醫(yī)學以及復(fù)雜環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景。例如作為內(nèi)窺鏡，可以利用它的高自由度來大大降低患者的不適感。因為其未來發(fā)展的無限可能，近年來對軟體機器人的相關(guān)研究也越來越多。雖然軟體機器人大規(guī)模商用的路途還很漫長，但因為其相比于傳統(tǒng)剛性機器人具有無法比擬的優(yōu)勢，所以在未來大有可為。

1 軟體機器人的發(fā)展綜述

軟體機器人的設(shè)計來源于仿生學。研究人員從軟體動物身上得到啟發(fā)，利用各種柔性材料打造了具備各種功能用途的軟體機器人。近年來，隨著控制學、機電學等技術(shù)的發(fā)展和新材料的不斷出現(xiàn)，軟體機器人研究也不斷取得巨大進步。2007年，美國塔夫茨大學的研究人員發(fā)明了軟體機器人GoQbot[ 1 ]，這個機器人的外觀酷似毛毛蟲，它能依靠身體的蠕動和伸縮進行前進，可用于通過核反應(yīng)堆等危險區(qū)域。

2016年，哈佛大學的研究人員發(fā)布了一款名為Octobot？[ 2 ]的軟體機器人，該機器人解決了軟體機器人在整合電源與控制硬件方面的難題，采用化學供能、流體驅(qū)動，具備有很高的自主性，是一款劃時代的作品。

2017年，上海交通大學完成了軟體康復(fù)機器人手套，它與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，使傳統(tǒng)枯燥的康復(fù)訓練變得十分有趣，能大大降低患者心理上的負擔。

2 軟體機器人的分類及驅(qū)動

目前的軟體機器人主要由柔軟彈性材料制成，可在大范圍內(nèi)改變身形和尺寸，并以此作為動力，驅(qū)動前進。軟體機器人按照驅(qū)動方式，可以分為物理驅(qū)動式、流體驅(qū)動式、電磁驅(qū)動式等。按照結(jié)構(gòu)類型，軟體機器人可以分為靜水骨骼型、肌肉性靜水骨骼型以及其它結(jié)構(gòu)型[ 3 ]。按照受控方式，軟體機器人可以分為點位控制型和連續(xù)控制型[ 4 ]。按照能量供給方式，軟體機器人可以分為有纜驅(qū)動和無纜驅(qū)動式[ 4 ]。

軟體機器人的驅(qū)動方式包括物理驅(qū)動、流體驅(qū)動和電磁驅(qū)動[ 5 ]等。物理驅(qū)動通過內(nèi)置形狀記憶合金驅(qū)動器來實現(xiàn)。物理驅(qū)動具有驅(qū)動力大、能量密度高、彈性好、剛度可控等諸多優(yōu)點，但是也存在響應(yīng)速度慢、容易老化等缺點。氣體驅(qū)動和液體驅(qū)動統(tǒng)稱為流體驅(qū)動。該驅(qū)動方式通過變形氣體、液體等，達到受控變形和運動的目的，具有功率密度高、響應(yīng)速率快等優(yōu)點，但存在流體泄露的問題。電磁驅(qū)動則可分為壓電驅(qū)動和磁體驅(qū)動兩大類，該種驅(qū)動方式響應(yīng)速率快，但是承載能力差、控制復(fù)雜。

上述3種是目前普遍采用的驅(qū)動方式，顯然，它們都還沒有達到理想的程度，理想的驅(qū)動應(yīng)具有如下幾類特質(zhì)：

1）響應(yīng)速率快，具有良好的伸縮性；

2）質(zhì)量要輕，具有在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力；

3）操作定位精準；

4）不會造成環(huán)境污染或者危及人身安全；

5）可維修指數(shù)高，且維修成本低廉；

驅(qū)動的實現(xiàn)是一個重大課題，隨著研究的不斷深入，未來軟體機器人的驅(qū)動將越來越理想。

3 軟體機器人的應(yīng)用

軟體機器應(yīng)用空間廣泛，包括以下3個領(lǐng)域。人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用。在可穿戴設(shè)備日漸流行的今天，軟體機器人若能與其結(jié)合，將會發(fā)揮很大的用處。例如，軟體機器人可在將來被引入Apple？ watch、Microsoft？Band等智能可穿戴設(shè)備作為表帶。因為軟體機器人具有良好的延展性，可以通過App對其進行調(diào)整，從而讓使用者感受到最大的舒適度。軟體玩具的出現(xiàn)也為軟體機器人應(yīng)用開辟了巨大市場，將軟體機器人置入現(xiàn)有的玩具之中，將會大大增加玩具的趣味程度。另外，可穿戴輔助設(shè)備也是軟體機器人的一個應(yīng)用領(lǐng)域，例如機器人exosuit[ 6 ]，使用者穿戴這種像衣服一樣的軟體機器人，能輔助其運動。這項研究對于殘疾人、老年人或者是學步的兒童都有很大的幫助。

醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。軟體機器人應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，可作為假肢、人造外骨骼等可穿戴設(shè)備或用于模擬肌肉運動[7]。例如在微創(chuàng)手術(shù)（MIS）[ 8 ]中，由于傳統(tǒng)儀器自由度的限制，操作者的許多行為都會受限。若使用軟體機器人，借助其極高的自由度，可以大大降低操作者的操作難度，并且因為它具有良好的柔軟度，可以使患者的創(chuàng)傷達到最低。另外心臟包裹器也是軟體機器人在醫(yī)學領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用。目前很多心臟病患者都依靠于心室輔助裝置（VAD），但是此種治療方式會導致患血栓的概率增加[ 9 ]。麻省理工學院（MIT）的研究人員在Science？ Translational？Medicine上描述的一種軟體機器人能改變這種情況。目前該機器人已經(jīng)可以被研究人員定置在心臟的一側(cè)或者兩側(cè)進行有節(jié)律的壓縮或者扭轉(zhuǎn)。與VAD相比，它還可以使患者被感染的風險大大降低。目前這項技術(shù)已經(jīng)在一頭成年豬上完成了試驗，使其在心臟驟停的情況下依然正常的進行供血。隨著未來軟體機器人的不斷發(fā)展及其在醫(yī)學領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，更多的患者將會因此受益。

復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。良好的自由度使得軟體機器人在復(fù)雜環(huán)境下具有更多的優(yōu)勢。在軍事領(lǐng)域，由于其良好的伸縮性，對復(fù)雜地域的適應(yīng)性，它可以具有更好的隱蔽性，可以執(zhí)行較高難度的軍事勘察任務(wù)。在勘測救災(zāi)領(lǐng)域，軟體機器人也有很大作用。例如斯坦福大學研究的機器人Kiss，它能通過空氣加壓使身體延長至原來的數(shù)十倍，能依靠靈活的身體輕松避開障礙物。若是在未來能夠?qū)⑵鋸V泛應(yīng)用于勘測領(lǐng)域，應(yīng)急救援的效率能得到極大的提升。

4 軟體機器人的展望

軟體機器人的優(yōu)勢。傳統(tǒng)機器人的剛性結(jié)構(gòu)限制了其自由度，完成精細任務(wù)比較困難。而軟體機器人良好的仿生結(jié)構(gòu)，則可以輕而易舉地完成夾起杯子，握住杯子，甚至是握住繡花針等高難度動作。由于其具有這些傳統(tǒng)機器人所不具有的優(yōu)勢，市場對它的需求十分迫切。軟體機器人對地形的適應(yīng)能力和忍受外界沖擊的能力更強，即使是非結(jié)構(gòu)的環(huán)境下也可以輕易完成工作，所以在國防、軍事或者急救領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以讓使用者的效率大幅提高。

軟體機器人發(fā)展的關(guān)鍵問題。理論上軟體機器人具有無限自由度，但它的機械運動原理以及軟體相關(guān)運動理論還有待研究，這是使得軟體機器人大眾化必須要跨過的一道門檻。軟體機器人對材料的要求非常苛刻，現(xiàn)有的材料大多都難以滿足要求，新興材料的研發(fā)過程又十分漫長。若是能找到較為適合軟體機器人理念的材料，則會大大推動其的發(fā)展。此外，軟體機器人發(fā)展至今仍未形成完整的體系，在結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、傳感等方面，各個軟體機器人都不一樣。研究一個通用體系，解決驅(qū)動、反饋等設(shè)計問題，并使其控制簡單高效，才能把軟體機器人真正的大規(guī)模投入商用。

軟體機器人發(fā)展的方向。軟體機器人可以朝著如下幾個方向進行研究。

1）新材料的研究。目前用于制造軟體機器人的活性材料十分昂貴，且使用壽命、響應(yīng)速率等都還存在缺陷，使得軟體機器人難以大規(guī)模投入應(yīng)用。一個重要的研究方向是通過3D打印[10]、激光微加工等新技術(shù)去尋找理想的新材料

2）驅(qū)動器的研究。驅(qū)動器是軟體機器人的核心，研究人員目前對于驅(qū)動器的研究還有待進步?？梢試L試使用軟體材料作為驅(qū)動器，例如采用壓電塑性材料，其通電后能夠膨脹，從而提供動能；或者硅膠，其在通電后的擴展可以為機器人帶來機械能。這些都可以作為研究人員的研究目標。

3）傳感控制的研究。軟體機器人理論上的無限自由度是其重大優(yōu)勢。如何建立合適的模型，應(yīng)用人工智能、強化仿生智能控制算法等新技術(shù)，使得有限的執(zhí)行器與傳感器能保證無限的自由度，這是未來研究的重點。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，在可穿戴設(shè)備、醫(yī)療康復(fù)、勘測救援等方面，對軟體機器人的需求日益增大。在可預(yù)見的未來，軟體機器人將逐步走進我們的工作生活當中。雖然目前還處在起步階段，隨著國家的日漸重視，軟體機器人將不斷發(fā)展并廣泛應(yīng)用，掀起機器人領(lǐng)域的一場變革。

參考文獻

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