软体机器人的发展与潜力
发布于2024-07-19
说起机器人，大多数人都会联想到坚硬的金属和僵硬的动作。但有另一种机器人打破了这种刻板印象：这种机器人灵活柔韧，动作更像有机生命而非机器。
这种机器人被称为软体机器人。软体机器人不是由钢铁和石墨制成，而是由硅胶、橡胶和凝胶等材料制成，因此具有传统机器几乎不可能具有的行动范围和动作方式。由于软体机器人的动作和行为比较独特，因此与钢制机器人相比，软体机器人具有多项优势，包括抗碰撞能力更强、复杂运动能力更出色。
本文简要介绍了这一令人兴奋的机器人子领域的发展历史、优缺点，以及多个领域正在探索的许多引人注目的应用。
软体机器人简介
令人惊讶的是，使用更加柔韧的材料制造机器人的想法几乎与现代机器人的概念一样早就存在了。1950年开发的McKibben（麦基本）人造肌肉拉开了实际应用的序幕。[1]这种肌肉也称为McKibben气动肌肉，由柔性气动管组成，外面有编织网起到屏蔽作用。[2]虽然气动肌肉最初是为矫形器而开发，但开发后已被用于多种机器人设计中。McKibben还启发了多项技术，为现代软体机器人领域奠定了基础。
软体机器人的后续重大发展到20世纪末才出现。1990年，S. Shimachi和M. Matumoto发表了《A Study on Contact Forces of Soft Fingers》（《软手指接触力研究》）一文，分析了手指表面的变形、摩擦和手法。[3]仅一年后，我们就看到业界开发出了首个柔性硅橡胶微执行器。[4]
在随后的几年，出现了大量新技术和创新，包括以触手和大象躯干为模型的操纵器、用电活性聚合物制成的人造肌肉以及液动执行器。
从那时起，仿生机器人和材料的开发就一直在不断发展。例如，2016年，哈佛大学发布了首个真正意义上的自主软体机器人Octobot。[5]最近，康奈尔大学开发了一种软体机器人，能够检测和治疗损伤。[6]
软体机器人剖析
软体机器人通常由柔性材料（如流体、弹性体或凝胶）制成，制作方法是一种被称为 "顺应匹配 "的过程。这一过程包括调整材料的机械属性，使其与周围环境的机械属性紧密匹配，确保负载分布均匀，并最大限度地减少应力。在驱动方面，软体机器人可能使用下面一个或多个系统：[7]
-
气动执行器 ，依赖压缩空气。
-
液压执行器，依赖油或水等液体。
-
热响应执行器，也称为形状记忆合金 (SMA)，受热时会改变形状。
-
电活性聚合物执行器，结合使用电极、绝缘聚合物和导电聚合物来实现运动。
-
磁性执行器，利用磁场产生运动。
-
光响应执行器，通过改变形状对可见光谱内的光做出反应。[8]
-
爆炸执行器，顾名思义，利用封闭的爆炸产生动力和运动。[9]
制造和生产软体机器人最常见的工艺 - 软蚀刻成型 - 包括以下步骤：[10]
-
制造内部组件，即约束层。这些组件为运动提供必要的刚度。传统上，这可以通过3D打印或铸造来完成。
-
按照所需的外形尺寸为机器人的柔性外层建模。这一般是通过在专用模具中浇铸和固化硅橡胶或类似材料来实现。
-
通过未固化的弹性体将不同的层连接在一起。重新固化后，将成品执行器从模具中取出。
更复杂的软体机器人可能还需要其他的开发或制造步骤，包括开发机器人的机载软件和固件，但核心流程通常一样。
软体机器人的优缺点
虽然与复杂机器人相比，软体机器人有很多优点，但也不是没有缺点，也不是适合所有应用。
软体机器人具有更出色的复杂运动能力、灵活性和形状适应性，非常适合多功能应用，尤其是那些需要复杂动作或精细操作的应用。刚性机器人虽然灵活性较差，复杂运动能力较弱，但更健壮，精度更高，负载能力更强。由于这些特点，在重工业应用中，特别是那些需要精准动作的应用中，刚性机器人优于软体机器人。[11]
由于软体机器人是用可吸收冲击力的材料制成的，因此与刚性机器人相比，它们不容易受到碰撞损坏，但更容易受到刺穿、撕裂或割伤损坏。软体机器人的材料也往往比刚性机器人的材料更经济、环保。由于软体机器人的材料与生物体更为相似，因此也更容易与之适配。
不过，有两个主要缺点抵消了这些优点：
-
软体机器人可能需要专门改装的电子元件，而这些元件很难采购。
-
与刚性机器人相比，软体机器人对控制和动力的要求也更高。
与刚性机器人相比，软体机器人最显著的优势之一是更适合与人类互动。人类可能会觉得刚性机器人的动作和外观令人反感，但软体机器人的生物兼容性设计却能让他们感到安心。华盛顿州立大学2023年的一项研究甚至发现，软体机器人会减少人们对与机器人一起工作或被机器人取代的焦虑。[12]
医疗保健领域的软体机器人
软体机器人的潜在应用种类繁多，新的应用领域也在不断探索。鉴于McKibben人造肌肉最初是为医疗目的而开发，因此软体机器人在医疗保健领域尤为实用。
软体机器人的灵活性和柔韧性使其很容易用于开发复杂的肢体替代装置。由于斯坦福大学的工程师们在2015年开发出了人造皮肤，这些下一代假肢甚至有可能模仿有机肢体的触觉能力。[13]由于软体机器人已经具备了自我修复和自主生长的能力，我们最终甚至可以开发出与佩戴者一起愈合和生长的假肢。[14], [15]
软体机器人还可应用于行动受限病人的支撑服，以及可穿戴的物理康复设备。可穿戴机器人外骨骼并不是一个新概念，ReWalk、Ekso Bionics和Cybderyne等公司都提供了各自的技术。[16]与传统的刚性外骨骼相比，软体机器人外骨骼有可能提供更高的舒适度和便携性，同时支持更自然的行动范围。[17]
人们甚至可以更进一步，用软体机器人替代或重建受损或缺失的身体内部器官和肌肉。人造器官还可用于医疗培训，让外科医生和其他临床医生能在更逼真的模拟环境中进行练习。[18]
除了假肢和康复，医生还可以将软体机器人与人工智能结合起来，实施极其复杂的微创诊断程序和手术。波士顿大学机器人实验室创始人兼主任Sheila Russo教授在这方面取得了长足进步。Russo及其合作者与哈佛大学医学院的学生合作开发了一种软体传感器，用于在结肠镜检查过程中检测出血情况，同时还开发了一种触觉反馈手套，以便在内窥镜检查过程中更轻松地导航。[19], [20]最近，Russo教授发表了一篇论文，评估了在肺部活检过程中使用小型软体机器人的情况。[21]
软体机器人还可用于药物输送，通过基于明胶的装置将药物输送到身体的特定部位。[22]这项技术的潜力远不止于药物输送。更复杂的软体医疗机器人还可以治病；例如，2023年，利兹大学的研究人员甚至开发出了一种能够进入肺部的机器人，用于早期肺癌的检测和干预治疗。[23]最后，护理机构可以部署仿生软体机器人，作为行动不便的病人和老人的助手。
软体机器人的其他潜在应用
软体机器人技术在医疗保健领域之外同样大有可为。对于急救人员和产业工人来说，软质外骨骼（如哈佛大学Wyss研究所开发的外骨骼服）可以提供额外的力量和保护。[24]软体机器人还可能被证明在搜救场景中非常有价值，因为它们可以到达和探索对人类来说过于狭小的空间。这种情况下使用软体机器人的另一个好处是，它能降低急救人员受伤的风险 - 他们可以派机器人到危险区域搜寻幸存者，而不必亲自搜索。
同时，能够自我复制和自我修复的软体机器人还可用于进化生物学、生态系统恢复、建筑和农作物管理等方面的科学研究。生物学家兼工程师Barbara Mazzolai开发的一种类似植物的机器人模型，甚至有改造火星的潜力。[25] Mazzolai的“植物机器人”类似于有机植物的根系，它在土壤中生长，寻找各种养分。
Mazzolai还在研究另一种机器人模型，名为Growbot，其灵感来自于植物在地面上的生长方式。在她的设想中，未来的植物机器人将利用星球表面的资源来培植土壤，建造楼房，甚至是整个城市。这种机器人可以先于宇航员和移民到达着陆点，为他们的到来做好准备，创造出功能齐全的建筑，包括水、电和通信基础设施。
从科幻小说到科学现实
本文介绍了几乎与有机肢体无异（甚至对佩戴者而言）的假肢、能够自我修复的机器人以及通过植物机器人改造其他星球的概念。这些听起来似乎都是从科幻小说中直接摘取的概念，也许在六七十年前就有了。
但时过境迁，之前的科幻小说已经成为现实。科学家们已经在对软体机器人领域的这些创新进行迭代。在不久的将来，我们有可能看到的发展包括使软体机器人更加智能、柔韧，与生物学意义上的生命无异，同时使它们与循环经济相容。
可能采取的措施包括去除电子元件、提高能源储存和生成效率，以及开发模仿生物体 生命周期的机器人。[26]
提到机器，大多数人想到的是坚硬的钢铁和刚性部件，而不会想到有机体或植物。但它们本身就是完美的机器 - 软体机器人模仿它们也是理所当然。
随着软体机器人的不断发展，软体机器人会变得越来越逼真，与生物体毫无区别，这也是水到渠成的事情。
参考资料
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-3190/acbb48/pdf[2] https://softroboticstoolkit.com/book/pneumatic-artificial-muscles
[3] https://www.semanticscholar.org/paper/A-study-on-contact-forces-of-soft-fingers.-Shimachi-Matumoto/077436f9ad6d43e55bea9b831638b8c4b733aa26
[4] https://ieeexplore.ieee.org/document/114797
[5] https://news.harvard.edu/gazette/story/2016/08/the-first-autonomous-entirely-soft-robot/
[6] https://news.cornell.edu/stories/2022/12/soft-robot-detects-damage-and-heals-itself
[7] https://www.wevolver.com/article/powering-soft-robotics-a-deeper-look-at-soft-robotics-actuators
[8] https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/soft-robot/
[9] https://dash.harvard.edu/bitstream/handle/1/12388526/82522713.pdf
[10] https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/soft-robot
[11] https://soft-gripping.com/discover/soft-robotics-vs-hard-robotics/
[12] https://doi.org/10.1080/24725838.2023.2284193
[13] https://news.stanford.edu/2015/10/15/artificial-skin-bao-101515/
[14] https://www.iotworldtoday.com/robotics/self-healing-robot-unveiled-
[15] https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adi5908
[16] https://www.cnbc.com/2020/03/22/how-wearable-robots-are-helping-people-with-paralysis-walk-again.html
[17] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9885398/
[18] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2516-1091/acb57a
[19] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202100254
[20] https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9981652
[21] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202200326
[22] https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-16-5180-9_13
[23] https://www.genengnews.com/topics/cancer/tiny-robots-detect-and-treat-cancer-by-traveling-deep-into-the-lungs/
[24] https://wyss.harvard.edu/technology/soft-exosuits-for-lower-extremity-mobility/
[25] https://thereader.mitpress.mit.edu/the-plant-inspired-robots-that-could-colonize-mars/
[26] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2023.1129827/full