李忠東

“鈍口擬獅子魚(yú)”暢游深海

軟體機(jī)器人的吸引力在于它的靈活性和通用性，能彎曲和塑形，制成任何想要的形狀。浙江大學(xué)之江實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)及其合作者，于2021年3月4日研制出一款無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)自鈍口擬獅子魚(yú)，它創(chuàng)下了一項(xiàng)人類(lèi)拍到活體魚(yú)類(lèi)的最深紀(jì)錄——8178 米，可承受700千克/平方厘米的壓力，表現(xiàn)出頑強(qiáng)的生存能力和靈活的移動(dòng)能力。鈍口擬獅子魚(yú)身體呈流線型，表現(xiàn)出對(duì)深海環(huán)境的多種適應(yīng)性，包括透明的皮膚、能拍打的胸鰭、巨大的胃、較纖細(xì)的肌肉、輕微骨化的骨骼和不完全封閉的顱骨。它的一個(gè)與骨骼鈣化相關(guān)的基因發(fā)生了假基因化，使得其骨骼變得非常薄且能夠彎曲。鈍口擬獅子魚(yú)的生育周期也大大延長(zhǎng)，以便更好地在惡劣的環(huán)境下生存繁衍。

科學(xué)家把機(jī)器人設(shè)計(jì)成一個(gè)與鈍口擬獅子魚(yú)相似的軟體，每側(cè)有2個(gè)大鰭，大鰭前緣由較硬的材料制成，可以上下彎曲，其上還附著一層薄薄的柔性薄膜，幫助它提供推進(jìn)力。該機(jī)器人全長(zhǎng) 22 厘米（其中體長(zhǎng)11.5 厘米，尾長(zhǎng)10.5 厘米），翼展28 厘米。電力和控制電子設(shè)備包括鋰離子電池、高壓放大器、紅外接收器、放電電阻器和微程序控制器等?！凹∪狻蔽挥谲涹w和大鰭的交界處，由能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的材料構(gòu)成，并固定在散熱片上，它的收縮會(huì)使大鰭相對(duì)于軟體向下拉。

傳統(tǒng)的水下航行器需要金屬材料制成的水密外殼，以承受深海高壓，并且隨著下潛深度要求的提高，外殼的厚度和尺寸也要增加。然而，這款機(jī)器人消除了對(duì)耐壓外殼的需求。研究人員通過(guò)壓力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果精密的電子元件密集地封裝在一塊印刷電路板上，它們的接口處容易發(fā)生故障，而將其嵌入并分布在柔軟的硅樹(shù)脂基體中，可保護(hù)其免受高壓影響。這種設(shè)計(jì)源于鈍口擬獅子魚(yú)頭骨的分布，相較其他保護(hù)深海電子設(shè)備的方法更實(shí)用，成本也更為低廉。

科學(xué)家在機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分，選用了一種加上電壓即可出現(xiàn)形變的電激活聚合物。這種介電彈性體（DE）成為機(jī)器人游動(dòng)的關(guān)鍵。當(dāng)施加交流電壓時(shí)，周期性變形的DE“肌肉”使2個(gè)鰭產(chǎn)生拍打運(yùn)動(dòng)以推進(jìn)游動(dòng)。

為了測(cè)試該軟體機(jī)器人的游動(dòng)性能，研究人員首先在壓力水腔中進(jìn)行了試驗(yàn)。接著，他們?cè)?0米深的湖泊中進(jìn)行了測(cè)試，機(jī)器人能夠以3.16厘米/秒的速度自由游動(dòng)。之后，在中國(guó)南?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，機(jī)器人由遙控潛水器攜帶到 3224 米的深度，在8千伏、1赫茲的交流電壓的驅(qū)動(dòng)下，以5.19厘米/秒的速度拍打雙鰭運(yùn)動(dòng)，成功地實(shí)現(xiàn)了自由游動(dòng)。最后，研究人員在馬里亞納海溝分別測(cè)試了機(jī)器人的雙鰭拍打運(yùn)動(dòng)和克服壓力阻力的能力。他們將機(jī)器人安裝在深海著陸器上，機(jī)器人內(nèi)部自帶容量為 2500毫安的鋰離子電池和高壓放大器自動(dòng)供電，可以產(chǎn)生0.5赫茲的7千伏、8千伏和9千伏的激勵(lì)交流電壓。最終結(jié)果顯示，在沒(méi)有耐壓外殼壓力容器的情況下，機(jī)器人撲鰭驅(qū)動(dòng)保持了45分鐘。

多次試驗(yàn)表明，這款無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人有極好的耐壓和游泳性能。對(duì)此，外國(guó)機(jī)器人專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)道：“這款軟體智能機(jī)器人，達(dá)到了受生物啟發(fā)的軟體機(jī)器人所能實(shí)現(xiàn)的極限?！?h3>“章魚(yú)”完全不靠電驅(qū)動(dòng)

在軟體機(jī)器人的制作方法中，最簡(jiǎn)單的是用3D打印，用柔軟卻有韌性的材料取代傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼。其中，液態(tài)硅橡膠最為引人注目，它具有流動(dòng)性好、硫化快的特點(diǎn)，既可澆注成型，也可注射成型。美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)的有史以來(lái)第一臺(tái)軟體自主機(jī)器人Octobot，使用的就是液態(tài)硅橡膠。它只有手掌大小，不靠電驅(qū)動(dòng)，而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮，借助壓強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)最早設(shè)想的只是一個(gè)半柔性機(jī)器人，用常規(guī)的泵閥系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，并且需要電纜連接機(jī)。后來(lái)，他們從章魚(yú)身上找到靈感，不僅機(jī)器人的軀干和致動(dòng)器使用的是柔性材料，而且控制系統(tǒng)和電源也使用柔性材料，無(wú)需再受外置電纜的牽制。經(jīng)過(guò)5年攻關(guān)，他們終于使Octobot成為世界上首個(gè)全軟體機(jī)器人，能扭曲著繞過(guò)障礙物。

Octobot的“大腦”部分設(shè)計(jì)有柔性微流體回路，可以用由壓強(qiáng)激活的閥門(mén)和開(kāi)關(guān)在通道內(nèi)傳導(dǎo)濃度為50%的過(guò)氧化氫溶液。在鉑金屬粉末的催化下，這種液體燃料會(huì)快速生成大量的水和氧氣。由于生成物的體積大于原來(lái)反應(yīng)物的體積，通道內(nèi)的壓強(qiáng)由此產(chǎn)生改變，使Octobot的機(jī)械臂在突然增大的壓強(qiáng)的影響下膨脹舒展，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，排氣孔保證氧氣最終會(huì)通過(guò)它排出。

浙江大學(xué)成功研制出一款無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人。

全軟體機(jī)器人“Octobot”模仿章魚(yú)的形狀。

為了使Octobot能保持一段時(shí)間的自主運(yùn)動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)時(shí)把它的8只機(jī)械臂分為2批（4只機(jī)械臂為一批），機(jī)械臂中設(shè)置了閥門(mén)和開(kāi)關(guān)。啟動(dòng)前將過(guò)氧化氫分別注入到2個(gè)儲(chǔ)液槽中，這2個(gè)儲(chǔ)液槽分別對(duì)應(yīng)一批機(jī)械臂。注入后，儲(chǔ)液槽會(huì)像氣球一樣慢慢膨脹，并利用壓強(qiáng)差使過(guò)氧化氫通過(guò)微流體回路。這時(shí)，壓強(qiáng)的變化會(huì)使一些機(jī)械臂的控制點(diǎn)打開(kāi)，其余的則會(huì)關(guān)閉，以此確保同一時(shí)間只有一半機(jī)械臂流通燃料。隨著燃料的消耗，流通燃料的機(jī)械臂內(nèi)部壓強(qiáng)會(huì)增大，使得燃料轉(zhuǎn)而流向另外一半原本關(guān)閉通道的機(jī)械臂。如此往復(fù)，通過(guò)精巧的閥門(mén)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，利用不斷變化的壓強(qiáng)差，使Octobot的機(jī)械臂在一段時(shí)間內(nèi)能保持自主運(yùn)動(dòng)。

在工作過(guò)程中，3D打印而成的Octobot的內(nèi)部通道扮演著重要的角色，成為“大腦”和機(jī)械臂進(jìn)行“通信”的渠道。研究人員在進(jìn)行3D打印時(shí)，在章魚(yú)形狀的模具中倒入了液態(tài)硅橡膠，又在其中注入一種特殊的墨水，后者負(fù)責(zé)在液態(tài)硅橡膠中保持形狀和位置。墨水加熱后會(huì)蒸發(fā)，留下了Octobot內(nèi)部的通道網(wǎng)絡(luò)。制造Octobot的材料成本很低，不到3美元，而燃料大約僅為5美分/份，因而在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)不存在高成本的顧慮。

目前，Octobot還沒(méi)有達(dá)到最佳狀態(tài)，一次添加的燃料（1毫升）只能維持機(jī)器人大約4～8分鐘的“生命”，自主運(yùn)動(dòng)方式也比較單一，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向，需要進(jìn)一步改善。目前，Octobot還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為一項(xiàng)操作任務(wù)設(shè)計(jì)程序，只是作為一種技術(shù)的展示。在后續(xù)的研究中，微流體回路將升級(jí)得更為精密復(fù)雜，以確保Octobot能更持久地運(yùn)動(dòng)，再搭配恰當(dāng)?shù)闹w動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作。除此之外，為了更好地適用于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，Octobot可能還需要將微流體回路和柔性傳感器相結(jié)合，讓全軟體機(jī)器人變得更為智能。

新算法更上一層樓

傳統(tǒng)主流機(jī)器人可使用外部攝像機(jī)繪制機(jī)器人的位置圖，再將這些信息反饋到機(jī)器人的傳感器和控制程序中，通過(guò)算法就能對(duì)機(jī)器人進(jìn)行管理。而軟體機(jī)器人則不同，它們的結(jié)構(gòu)和材料因?yàn)榉蔷€性而擁有更多的自由度，從理論上說(shuō)，任何一點(diǎn)都能以可能的方式變形，因此完成動(dòng)作任務(wù)得依靠本身充分的“感知”。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新穎的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它可以決定機(jī)器人體內(nèi)需要多少個(gè)傳感器，并且優(yōu)化它們的位置，與此同時(shí)學(xué)習(xí)有效地完成分配的工作任務(wù)，更好地與環(huán)境交互。研究團(tuán)隊(duì)首先將機(jī)器人的身體分成“粒子”區(qū)域，提供每個(gè)“粒子”的應(yīng)變率作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在反復(fù)嘗試、犯錯(cuò)和糾正的過(guò)程中，學(xué)習(xí)用最有效的動(dòng)作序列來(lái)完成任務(wù)，比如抓取不同大小的物體。該網(wǎng)絡(luò)會(huì)跟蹤最常使用的那些“粒子”，并從一組輸入中剔除較少使用的“粒子”，以用于網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)試驗(yàn)。

除了對(duì)“粒子”進(jìn)行優(yōu)化外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還能提供安放機(jī)器人傳感器的最優(yōu)方案，以獲取最大收益。比如，在一個(gè)有抓手的模擬機(jī)器人中，該算法可能提出傳感器應(yīng)集中在手指周?chē)?，因?yàn)檫@些區(qū)域?qū)Πl(fā)揮它們操縱物體的能力至關(guān)重要。盡管這看起來(lái)很明顯，但事實(shí)證明該算法大大優(yōu)于人類(lèi)安放傳感器的直覺(jué)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的軟體錐形機(jī)器人抓取器可以抓取比自身重100倍的物體。

美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)明一種叫作“GelFlex”的軟體機(jī)器人手指。

研究人員認(rèn)為，為了使軟體機(jī)器人越來(lái)越先進(jìn)，例如可以抓取薯片但不會(huì)將其壓碎，必須賦予它觸覺(jué)和本體感知（一種在空間位置中的感知）。而在大多數(shù)軟體機(jī)器人中，這種感覺(jué)是不存在的?，F(xiàn)在美國(guó)麻省理工學(xué)院的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)有了可以改變這種情況的解決方案，能使它更好地感知抓著的是什么物體，以及決定使用的力度有多大。

其中一個(gè)研究小組在先前研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種軟體的錐形機(jī)器人抓取器，這種機(jī)器人可以輕而易舉地抓取比自身重100倍的物體。他們?cè)黾恿藗鞲衅?，使其能夠撿起像薯片一樣精?xì)的物品。截至目前，研究人員已經(jīng)分別用很重的瓶子、罐頭、蘋(píng)果、牙刷和一袋餅干等物品進(jìn)行了測(cè)試，并取得了成功。

第二組研究人員發(fā)明了一種叫作“GelFlex”的軟體機(jī)器人手指，使用嵌入式攝像頭和深度學(xué)習(xí)來(lái)創(chuàng)建觸覺(jué)和本體感覺(jué)。它看起來(lái)就像一個(gè)只有2個(gè)手指的杯子夾持器，其中一個(gè)手指在指尖附近有一個(gè)攝像頭，而另一個(gè)攝像頭則隱藏在手指中間。攝像頭觀察手指前表面和側(cè)表面的狀態(tài)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用攝像頭的信息進(jìn)行反饋，使得GelFlex能夠拾取各種形狀的物體。實(shí)驗(yàn)證明，GelFlex具有高精度的本體感覺(jué)，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)被抓取的物體，也能夠承受相當(dāng)大的沖擊，而不會(huì)損害相互作用的環(huán)境和自身。

與剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人可以更好地適應(yīng)各種環(huán)境，受到外界沖擊后也不會(huì)產(chǎn)生大的損害，在空間狹小、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下都可以完成復(fù)雜的任務(wù)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，會(huì)有更多更好的軟體機(jī)器人面世。它們或進(jìn)入太空，在火星表面快速移動(dòng);或用于修復(fù)手術(shù)，充當(dāng)幫助患者從傷病或中風(fēng)中恢復(fù)的外骨骼;或用于清理遭遇地震或火災(zāi)的建筑物殘骸，執(zhí)行搜救等高危任務(wù);或用于工業(yè)環(huán)境，作為協(xié)作機(jī)器人與人類(lèi)一起工作。