【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 技術(shù)前沿】 【編者按】柔性機(jī)器人作為先進(jìn)制造的一部分，因?yàn)槠洳牧系娜彳?，相?duì)于其他類型的機(jī)器人在環(huán)境適應(yīng)性、安全性、人機(jī)互動(dòng)方面，有著天然的優(yōu)勢(shì)。發(fā)展方向也有工業(yè)機(jī)器人、仿生機(jī)器人兩個(gè)方向。然而材料方面的難題，成為了橫臥在柔性機(jī)器人發(fā)展道路上的“攔路虎”。

近日，一篇刊登在最新一期《美國(guó)化學(xué)會(huì)—應(yīng)用材料與界面》雜志上的論文又將“柔性機(jī)器人”這一概念拉回人們視線中，中科院理化技術(shù)所的研究人員新發(fā)現(xiàn)，鎵基液態(tài)合金在犧牲金屬或電場(chǎng)的刺激下可變色特點(diǎn)，加上其優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、低粘度、良好的流動(dòng)性和生物相容性，顯示出了一定條件下可以變形和運(yùn)動(dòng)的能力；為柔性機(jī)器人提供可變性變色材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可能性。

早在2015年，中國(guó)科學(xué)家就在世界上首次根據(jù)液態(tài)金屬在電場(chǎng)下自主運(yùn)動(dòng)可變形的特性從理論和技術(shù)層面論證了液態(tài)金屬柔性機(jī)器人的可能性。此前，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜在其撰寫的室溫液態(tài)金屬綜述文章中也曾寫道，“液態(tài)金屬可變形機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望促成柔性機(jī)器理論與技術(shù)取得重大突破?！?/p>

什么是柔性機(jī)器人？

新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系教授朱建曾給出過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，柔性機(jī)器人的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性、良好的人機(jī)互動(dòng)性等。

我們一般常見的人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)大多是僵硬的，跳躍落地時(shí)都會(huì)重重地砸向地面，傳統(tǒng)的剛性材料很難讓機(jī)器人靈活地呈現(xiàn)給大家，未來(lái)的機(jī)器人應(yīng)該是朝著更輕、更柔軟、對(duì)外部動(dòng)力依賴程度更低的方向發(fā)展，到時(shí)候人機(jī)協(xié)作會(huì)更安全、更協(xié)調(diào)。

柔性機(jī)器人目前分為工業(yè)和生物兩大類，主要是為了應(yīng)對(duì)制造業(yè)和醫(yī)療行業(yè)的需求，有意思的是柔性機(jī)器人在不同的領(lǐng)域定義也不完全相同。從制造業(yè)的角度來(lái)講，柔性機(jī)器人是指運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的六軸以上的工業(yè)機(jī)器人。從生物學(xué)角度來(lái)講，柔性機(jī)器人是指模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生機(jī)器人。后者將被應(yīng)用至各種復(fù)雜環(huán)境中幫助甚至代替人們執(zhí)行特殊、高級(jí)的任務(wù)。

雖然柔性機(jī)器人有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前大多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，甚至柔性機(jī)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(xué)界研發(fā)出了各種軟體動(dòng)物機(jī)器人，包括蠕蟲機(jī)器人，毛毛蟲機(jī)器人，章魚和八爪魚機(jī)器人等，但大多仍屬于多個(gè)硬質(zhì)單元組成的機(jī)構(gòu)，與柔軟和普適變形乃至融合等高級(jí)機(jī)器所具備的能力還存在相當(dāng)大距離，更不同于自然界中人或動(dòng)物那樣的有著柔軟外表、無(wú)縫平滑的連接。所以我們?cè)谶@里主要討論一下完全由柔性材料構(gòu)成，沒(méi)有多余硬性結(jié)構(gòu)在其中的柔性機(jī)器人。

那些腦洞大開的柔性機(jī)器人

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程師從葡萄藤、真菌和神經(jīng)細(xì)胞等可通過(guò)生長(zhǎng)而覆蓋距離的天然生物獲得設(shè)計(jì)靈感，研發(fā)了可自我生長(zhǎng)的柔性機(jī)器人，這種藤狀機(jī)器人可以長(zhǎng)距離生長(zhǎng)，而不會(huì)移動(dòng)其全身，它可以用在搜索，救援行動(dòng)和醫(yī)療應(yīng)用中。

哈佛大學(xué)的研究者們出了一款章魚形狀的完全柔性機(jī)器人“Octobot”。這款機(jī)器人全身都由軟軟的柔性材料構(gòu)成，不需要外接動(dòng)力，自己就能運(yùn)動(dòng)起來(lái)。浙江大學(xué)航空航天學(xué)院、浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李鐵風(fēng)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(jìn)獲得啟發(fā)，利用介電高彈體薄膜作為軟體人工肌肉驅(qū)動(dòng)器。

來(lái)自凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員則開發(fā)了一種基于折紙?jiān)O(shè)計(jì)的新型3D打印柔性機(jī)器人，其可變形性使其形狀變形來(lái)吸收額外的力，不需要任何額外的傳感器來(lái)檢測(cè)力并調(diào)整自身。因此，必要的人力干預(yù)量急劇減少并且軟而安全。

柔性機(jī)器人的材料和驅(qū)動(dòng)

需要高靈活性和可變形性的柔性機(jī)器人，主要技術(shù)難點(diǎn)在于其構(gòu)成材料，其次在于驅(qū)動(dòng)上，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的剛性連接器和外殼已不再適用，人們會(huì)想辦法保證其材料的柔軟性，目前比較常見的是通過(guò)3D打印的方式來(lái)制作“外殼”，比如水凝膠造出的膠狀機(jī)器人，MIT的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就做了嘗試性的試驗(yàn)，他們用3D打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實(shí)現(xiàn)“身體”的“柔韌性”，然后通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

再就是通過(guò)一些特殊的材料來(lái)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(zhì)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(jù)溫度自動(dòng)改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實(shí)現(xiàn)彎曲、變短、抓取物體等動(dòng)作。

新進(jìn)展比較多的材料就是文章一開始提及的液態(tài)金屬，可以在電、磁、光、熱、化學(xué)、機(jī)械等外場(chǎng)控制下，在不同的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)模式上任意切換，甚至吃”掉“燃料”后，能夠自主運(yùn)動(dòng)等類生物行為。。

從材料來(lái)看，主要是電力驅(qū)動(dòng)，比如上述的人造肌肉材料等職能材料需要通電產(chǎn)生的形變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，其次就是利用環(huán)境的變化來(lái)獲取動(dòng)力，如溫度、空氣以及光照等方式。但是這些驅(qū)動(dòng)方式也有很大的隱患，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度控制上有難度，另一方面，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)影響它在一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

所以目前雖然柔性機(jī)器人的研究機(jī)構(gòu)頗多，研究方向也不同，但離落地使用，還有很長(zhǎng)一段路要走，柔性機(jī)器人或許能令我們?nèi)祟愰_發(fā)生物啟發(fā)下的人工智能，從而將其應(yīng)用到更多不同場(chǎng)景。