機器人的終極形態，不是「擎天柱」而是「毒液」

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提到機器人，你首先想到的是什麼？大概是這樣的：

但不會是這個👇，對吧？

這一灘「史萊姆」來自上個月 Advanced Functional Materials 雜志上發表的一篇論文，是香港中文大學張立教授團隊和哈爾濱工業大學謝暉教授團隊的最新合作研究成果。

它是一個酷似「毒液」的磁性黏液機器人，由強釹磁鐵、硼砂和聚乙烯醇等材料混合製成的，基於非牛頓流體的磁驅動。

這種軟體機器人（Soft robotics）具有很好的變形能力和環境適應性，也可以通過捲曲行為來抓取和包裹物體，在臨床醫療領域中，特別是微創手術、靶向藥物輸送等操作上有所應用。

實際上，根據國際機器人協會曾調查的數據，全球工業界只解決了 3%～4% 的規則與剛性物品的自動化生產搬運問題，剩餘 96% 左右的柔性異形、易損物品仍只能使用人工上下料。

這意味著軟體機器人領域的發展潛力很大，2020 年軟體機器人市值約 10.5 億美元，預計到 2026 年將達到 63.7 億美元，期間復合年增長率為 35.17%。

目前軟體機器人仍處於早期階段，但與傳統機器人相比，軟體機器人具有多種優勢，能夠在傳統剛體機器人之外，幫助人類做更多的事。

以柔克剛，軟體機器人瞭解一下

軟體機器人技術是機器人技術的子集，與剛體機器人相比，它是和有機生命體的物理特徵更相似的技術。專家將軟體機器人技術描述為仿生學的一種形式，其中機器人技術傳統的線性和有些生硬的方面被模仿人類和動植物生命更復雜的模型所取代。

哈佛大學的研究人員設計的 Octobot

機器人一般由機械本體、驅動系統、控制系統和感知系統組成，軟體機器人也同樣。它的本體部分利用柔軟材料製作，例如流體、凝膠和彈性體，其能夠與環境材料相匹配。順應性匹配的原則是指相互接觸的材料應具有相似的機械剛度，以便均勻地分佈內部載荷並，最大限度地減少界面應力集中。

但是，該原理不適用於剛性機器人（E = 10^9 Pa）與軟質材料（E = 10^2～10^6 Pa）相互作用，這會導致損壞或機械固定（其中 E 是楊氏模量，它可以衡量固體材料的剛度）。很多脆弱的「環境材料」與軟質材料的相互作用被廣泛傳播，比如天然皮膚，肌肉組織，脆弱的內部器官，還有生物，生物功能的人工復制等……

由於機械順應性的顯著失配，很容易得出一個結論：剛性機器人不適合人類親密互動，否則會造成危險。因此，需要一種與自然界中存在的材料和生物的彈性及流變特性相匹配的機器人，而這正是軟體機器人可以提供解決方案的地方。

軟體機器人與經典機器人的比較｜elveflow

然而設計軟體機器人時，傳統用金屬製造機器人的成熟方法就無法適用，需要從原理到結構設計到驅動、控制、傳感都採用全新的模式。這也是軟體機器人面臨的一大問題。

軟體機器人的用武之地

因為軟體機器人是由符合生物物質（如人類皮膚和組織）的材料組成的，所以它們在機械上具有生物相容性，能夠實現栩栩如生的功能。這些材料還可以改變自身形狀和彈性硬度，不僅重量輕，而且足夠舒適、柔軟以防止受傷，適合與人親密接觸。

這些特點會讓軟體機器人在未來的社會、科學和工業活動中產生大量有前途的新技術。

比如，一些軟外骨骼已經研發出來，這種新型機器人對患有運動障礙（中風、多發性硬化症、帕金森病）的患者、老年人很有用，也可以幫助士兵、消防員、護理人員以及任何需要搬運重物的人。

幾十年來，外骨骼採用剛性連接，與生物解剖結構平行，以增加穿戴者的力量和耐力，同時保護他們免受身體壓力和傷害。然而，這些機器人不足以適應人體平滑復雜的運動，而且很重且佔用空間。取而代之的是，這些新型軟體可穿戴機器人採用氣動空氣人工肌肉（pneumatic air artificial muscles ）工作，符合人體運動，重量輕。

Wyss 研究所開發的外骨骼套裝就是這種輕量級設備的一個例子，它使用「柔軟的衣服」，不包含剛性元素，防止了穿戴者者的運動受到限制，並避免剛性外骨骼遇到的關節錯位。

類似地，還有軟假肢。這些假肢由人工和天然肌肉提供動力，並通過認知命令、身體姿勢和機載感應進行控制。

不止於實驗室，這個領域也已經誕生了一些初創公司。一家名叫 StartUs Insights 的公司使用科學數據驅動的觀察和篩選方法，從全球 69 個初創公司中挑選了 5 個有代表性的公司，我們不妨來看看它們各自的產業方向。

北京軟體機器人科技有限公司 (SRT) – 電子組裝

使用傳統機器人組裝和包裝手機、電路板等成品電子元件通常會在產品上留下劃痕。這就需要人工，從而增加了成本。軟機器人技術使機器人能夠復制人類在操作產品時的靈巧性，從而承擔這項工作。

Soft Robot Tech 提供基於軟體機器人技術的夾持裝置。這些固定裝置有助於處理各個行業的產品，例如消費電子產品（尤其是手機）、化妝品、珠寶和食品。與剛性金屬夾具相比，它們的軟夾具可最大限度地減少表面劃痕。

SpectroPlast – 硅 3D 打印

軟機器人發展的一個主要障礙是缺乏模仿人類皮膚柔軟觸感的表面。硅是開發柔軟觸感表面的一種常用材料，主要是因為它的靈活性和 3D 打印的適應性。它還提供了設計的幾何自由度並涉及快速的迭代週期。

瑞士初創公司 SpectroPlast 為不同的應用打印基於硅的解決方案。他們使用立體光刻和增材製造來製造不同剛度的硅產品。除了軟體機器人，他們還生產醫療零件和工業部件的產品。

iCobots – 食品包裝

包裝雞蛋、水果和巧克力一類的食品通常需要人工勞動。然而，農產品的採摘和包裝過程也會不小心改變它們的自然質地。軟體機器人技術的解決方案結合了機器人的速度和人類工人的柔軟觸摸，並在處理精細的食品中找到了應用之處。

以色列初創公司 iCobots 為軟機器人提供即插即用解決方案。他們的解決方案與現有的機器人整合，將軟體機器人的力量帶給它們。他們的協作機器人處理多個行業的不同產品，特別是農業。

Squishy Robotics – 災難救援

一般來說，災後最初的幾個小時對於搜索和救援是至關重要的。然而，救援人員到達現場往往需要時間。現場狀況還常常限制了他們在清理現場之前進行有效搜索的能力。軟機器人具有靈活的結構，能夠使救援人員到達廢墟下，而且，使用無人機很容易部署機器人。

Squishy Robotics 是一家總部位於美國的初創公司，致力於開發用於災難救援的移動感應機器人。他們的機器人可以快速部署，即使是成群的機器人，在與救援人員互動方面具有高度的協作性。他們順從和形狀變化的設計使他們能夠到達人類第一反應者無法到達的空間。這些機器人裝備有傳感器，可以傳輸視覺、音頻、化學和生物信息。

Somnox – 機器人輔助醫療

在機器人輔助的醫療保健中，機器人引導病人完成重復性任務。這有助於傷後的康復，並鼓勵特定的行為，如成癮恢復或改善治療的依從性。軟機器人技術將剛性驅動器或外骨骼與模仿人類行為的柔軟部件結合起來，並轉換機器人輔助護理。

Somnox 是一家荷蘭創業公司，提供軟機器人技術創新解決方案來提高睡眠質量。他們的睡眠機器人幫助患有睡眠晝夜節律障礙的人更快更長時間入睡。它模擬呼吸模式，播放放鬆的聲音，並且安慰睡眠者作為上癮的安眠藥的替代品。

如何製造和驅動軟體機器人？

正是軟體機器人的應用和研發，帶動了材料、致動技術的進展，這才推動了產業應用。

軟體機器人當前有幾種致動模式，如燃燒驅動致動、光敏致動和氣動網絡致動。其中，氣動網絡致動模式（Pneumatic Networks actuators, PneuNets）是目前大多數軟體機器人採用的驅動模式。

驅動器由軟材料，彈性體組成，在其中加壓流體可以在一系列通道和腔室內流動。當這些腔室受壓時，受限的流體會從材料內部產生應力，導致材料產生應變，變形，並使致動器運動。通過調節嵌入式腔室的幾何形狀及其壁的材料屬性，人們可以控制此運動的性質。通常，流體彈性體機器人的每個部分都會彎曲，而這種彎曲是由於材料應變引起的。

如果機器人由單個均質的彈性體組成，則大多數膨脹將發生在最薄的結構上，因此機器人的運動將取決於微流體回路的幾何形狀。但是，具有不同彈性行為的材料也可以用於對致動器行為的進一步控制。

致動器在受壓時彎曲變形｜成均館大學機械工程學院軟機器人實驗室

為了製造軟體機器人的本體部分，最常用的製造工藝是軟光刻成型，它依賴於在通過軟光刻或 3D 打印獲得的模具中鑄造彈性體。這種製造過程通常包括三個步驟：

• 軟體機器人由兩部分組成：外層，包含所需通道結構的模型，以及約束層，呈現出驅動所需的不可擴展特性（由於不同的剛度）。每層通過在每個模具中澆注硅橡膠而成型，並固化。

• 然後，將兩個固化層從它們的模具中取出，使用一層薄薄的未固化彈性體作為膠水連接，然後固化在一起。

• 最後，一旦固化完成，最終的致動器就會從模具中取出。

顯然，有一些軟體機器人更復雜，創造它們需要更多工序，但從廣義上講，製造過程也類似。

軟體機器人的 3D 打印流程｜elveflow

過去，傳統工業機器人得到了輝煌的發展，但如今我們想讓機器人做更多的事，尤其是讓它們和環境與人類進行互動，很大程度上要轉向軟體機器人技術路線而實現。

每項技術的發展都有一定的背景，即既有需求又有相應的技術可行性。「更軟」的機器人一直是人類所需要的，而它也正因科研和產業的發展而逐漸應用到我們的生活中來。

原文鏈接：

• Soft Robot: A Reviewhttps://t.cn/A66D0iqW

• 5 Top Soft Robotics Startupshttps://t.cn/A66D0a0N

本文來自微信公眾號“極客公園前沿社”（ID:GeekParkFrontier），作者：前沿社，原標題：《硬剛不行，有彈性、能流變的「軟體機器人」才是人類新寵》，36氪經授權發布。

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