軟體機(jī)器人

　1起源

　　科學(xué)家們從自然界汲取靈感，創(chuàng)造出遠(yuǎn)比那些傳統(tǒng)的金屬制同類更加靈活和多功能的機(jī)器人。

　　美國(guó)哈佛大學(xué)的科學(xué)家們制造了一種新型柔韌機(jī)器人，它的身子非常柔軟，可以像蠕蟲一樣依靠蠕動(dòng)在非常狹窄的空間里活動(dòng)。這個(gè)哈佛大學(xué)科研小組由化學(xué)家喬治懷特塞茲(GeorgeM.Whitesides)率領(lǐng)，他們從魷魚，海星和其它沒(méi)有堅(jiān)硬骨骼的動(dòng)物身上獲得啟發(fā)，研制了一種小型的，有四條腿的橡皮機(jī)器人。

　　最近幾年，科學(xué)家們一直在嘗試和一些黏糊糊的，有時(shí)候甚至看上去模樣古怪的機(jī)器人設(shè)計(jì)概念打交道，他們希望能制造出一種新型機(jī)器人，它們將能夠鉆進(jìn)那些依靠人力或傳統(tǒng)機(jī)器人難以企及的地方展開(kāi)工作，如地震災(zāi)區(qū)救援或者戰(zhàn)場(chǎng)偵察等等。在一份郵件采訪中，美國(guó)麻省理工學(xué)院的機(jī)器人專家馬修沃爾特(MatthewWalter)說(shuō)：“這種軟體機(jī)器人的柔韌性讓它們能夠得以進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法抵達(dá)的狹小空間。”

　　今年早些時(shí)候，一個(gè)來(lái)自塔夫茨大學(xué)的小組展示了由他們開(kāi)發(fā)的一種體長(zhǎng)僅10厘米的蠕蟲機(jī)器人，它采用硅氧橡膠制成，可以爬進(jìn)一個(gè)小球并在里面推動(dòng)小球向前滾動(dòng)。

　　而此次哈佛大學(xué)的此項(xiàng)研究是在美國(guó)國(guó)防部的研究資助項(xiàng)目下進(jìn)行的，有關(guān)進(jìn)展本周一在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院報(bào)》上作了發(fā)表。這個(gè)軟體機(jī)器人體長(zhǎng)約12.7厘米，制造的過(guò)程花費(fèi)了兩個(gè)月。其四肢可以各自獨(dú)立操控，通過(guò)人工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制將壓縮空氣輸入其肢體內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。這讓這種新型機(jī)器人具備了無(wú)法比擬的靈活性，可以自由地在地面爬行或者滑行。

　　研究人員對(duì)它進(jìn)行了柔韌性測(cè)試：他們將一塊玻璃板置于距離地面不到1.9厘米的高度，并讓這個(gè)小機(jī)器人嘗試爬進(jìn)底下。結(jié)果科學(xué)家們成功地控制這個(gè)機(jī)器人15次來(lái)回穿過(guò)了這個(gè)極其狹小的縫隙。并且在大多數(shù)情況下，它穿過(guò)整個(gè)玻璃板底部所花費(fèi)的時(shí)間還不到1分鐘。

　　研究人員計(jì)劃進(jìn)一步對(duì)其速度性能進(jìn)行改進(jìn)，不過(guò)他們對(duì)它沒(méi)有因?yàn)椴粩喟l(fā)生的熱脹冷縮而損壞感到欣慰。哈佛大學(xué)的博士后羅伯特謝普赫德(RobertShepherd)說(shuō)：“它足夠堅(jiān)強(qiáng)。”他指出這種機(jī)器人可以適應(yīng)各種表面材料并在上面正常運(yùn)行，包括毛氈，沙礫，泥漿，甚至果凍。不過(guò)它也有缺陷：目前機(jī)器人必須依靠一條外接電源線供電，科學(xué)家們希望找到一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)電源內(nèi)置，如此方能讓它投入實(shí)際應(yīng)用之中。

　　塔夫茨大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家巴里特里莫(BarryTrimmer)是該大學(xué)蠕蟲機(jī)器人項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員，他說(shuō)：“在軟體機(jī)器人領(lǐng)域還有很多挑戰(zhàn)需要面對(duì)，對(duì)于這些問(wèn)題的解決沒(méi)有捷徑可走。”

　　機(jī)器人專家卡莫馬吉迪(CarmelMajidi)在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)軟體機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，他認(rèn)為盡管這一成果是基于之前的研究基礎(chǔ)，但是仍然極具創(chuàng)新。他說(shuō)：“這是一種簡(jiǎn)單的概念，但是看起來(lái)他們似乎很好的模擬了自然界的生物運(yùn)動(dòng)模式。”

　2簡(jiǎn)介

　　軟體充氣機(jī)器人模型并不像機(jī)械機(jī)器人那樣先進(jìn)，但是它們的柔軟身體中不包含任何電子裝置。充氣柔體機(jī)器人設(shè)計(jì)方是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)的科學(xué)家，他們認(rèn)為這種軟體機(jī)器人將是最好的工具。

　　美國(guó)波士頓大學(xué)化學(xué)家陳新(音譯)是該研究小組成員之一，他在2012年2月9日出版的《高級(jí)功能材料報(bào)》中描述稱，如果你想穿過(guò)一個(gè)彎曲的管子或者碎石，以及其他難以抵達(dá)的粗糙崎嶇環(huán)境表面，你將需要軟體機(jī)器人。這款機(jī)器人能夠完成許多傳統(tǒng)機(jī)械機(jī)器人所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，抵達(dá)一些特殊的環(huán)境。

　　傳統(tǒng)主流機(jī)器人是采用金屬和其他硬質(zhì)材料制造，裝載連接電子儀器和元件。它們可以制造汽車、攜帶較重的物體裝置，甚至拆卸炸彈。然而，在一些特殊環(huán)境中，機(jī)器人的柔體結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。

　　原理

　　制造軟體機(jī)器人使用的是懷特賽德斯團(tuán)隊(duì)發(fā)明的軟光刻技術(shù)。其生產(chǎn)過(guò)程

　　軟體機(jī)器人模具

　　是：借助電子元件讓光照射模具的表面，致使覆蓋在圖案上一層薄薄的高分子膜曝光，以此溶解沒(méi)有圖案的區(qū)域。懷特賽德斯說(shuō)：“這是一個(gè)非常成功的技術(shù)，它具有很高的分辨率，相當(dāng)小巧，但在批量化生產(chǎn)之前成本比較昂貴。”[1]軟光刻技術(shù)是以柔軟聚合物模具為載體，這是一個(gè)相對(duì)比較簡(jiǎn)單的制造過(guò)程。懷特賽德斯說(shuō)：“我們可以使用平整的表面進(jìn)行投射或輸出，也可以封住凹面以形成通道。”借助微流體技術(shù)作用于通道，從注入空氣到產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，懷特賽德斯團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)概念得到來(lái)提升：“考慮到通道的結(jié)構(gòu)和空氣泵，這意味著它的彎曲可以成為軟體機(jī)器人的一個(gè)特性。”

　　設(shè)計(jì)

　　工程師現(xiàn)在從自然角度來(lái)考慮設(shè)計(jì)機(jī)器人，例如：基于昆蟲、鳥類、蛇、魚，甚至狗的特征，來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人模型。科學(xué)家已成功研制出空氣動(dòng)力橡膠機(jī)器人，遇到障礙物時(shí)能夠像蛇一樣伸縮起伏身體。

　　從軟體機(jī)器人的四肢、軀干以及內(nèi)部格局來(lái)看，看似有點(diǎn)像一朵簡(jiǎn)化的雪

　　軟體機(jī)器人“脊梁管

　　花，其中央“脊梁管”連接任意一個(gè)通道（分支）；機(jī)器人有兩層聚合物，一層延伸甚廣，一層堅(jiān)不可摧。當(dāng)空氣注入四肢后，具有彈性的腔體會(huì)像氣球一樣擴(kuò)張，但腔體材料卻不舒展且四肢蜷縮。當(dāng)彎曲時(shí)，借助肢體與周圍摩擦力作用產(chǎn)生的橫向推力，整個(gè)身體可以不斷向前推進(jìn)（在肢體驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人可以爬行）。[1]懷特賽德斯說(shuō)：“這不是一個(gè)煞費(fèi)苦心的概念，但實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)是很不尋常的。在這些看似（四肢）很簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)下，從中你會(huì)看到非常有趣的運(yùn)動(dòng)。”他指出，雖然這種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造確實(shí)很像海星似的軟體動(dòng)物，但目的是模仿它的功能，而不是其機(jī)制。

　　材料

　　這種新型柔體機(jī)器人可采用合成紙質(zhì)材料、纖維織物和金屬絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，具有硅膠外形。當(dāng)它們模塑成型之后，該機(jī)器人與復(fù)雜的壓縮氣體源進(jìn)行連接，例如：空氣注射泵。

　3功能

　　軟體機(jī)器人具有一些特殊的折疊效果，使用正確的方法可以折疊，在適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)粘合。

　　研究小組還使用汽缸來(lái)抽吸空氣至球體、管狀結(jié)構(gòu)，來(lái)作為“剛硬”管材。未來(lái)研究人員希望在軟體機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加配線和電子組件，從而使它更具功能性。