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    走出“僵硬”外壳的软体机器人
    Time 2017-07-23 15:32:28 情感驿站 性爱技巧

        ■俞芊静 编译

        人工智能正在往越来越高级的方向发展。与智能化程度更高的手机,以及网络搜索速度提升很快的电子产品不同的是,高度智能化的机器人应该像人类一样,不仅会思考,还要能够通过智力、身体和外部世界三者之间的交互作用,变得越来越聪明。让机器人从“僵硬”的躯壳中走出来,融入一个更为庞大和错综复杂的世界,是软体机器人专家雄心勃勃的终极梦想。

        上世纪20年代,捷克剧作家卡雷尔·恰佩克在他的剧作 《罗萨姆万能机器人》 中,创造了一个软体机器人形象,这种机器人可以像“面团”一样随意揉搓,并从工厂里大批生产出来。如今,随着机器人柔性结构的研究开发,恰佩克所创造的这一艺术形象已在世界各地的实验室和初创公司里崭露头角。

        软体机器人手臂像章鱼触手一样,可在沿其长度的每一个点上拉伸和挤压,其运动是不能用简单的几何关系来描述的。

        设计灵感来自章鱼

        研究人员的灵感来自一种最奇特的海洋动物———章鱼。当目标定位在一种柔软、粘湿、有弹性,但同时又动态、灵活、高度智能化的技术上时,研究人员不得不重新评估实现这一切的可能性。每一种电器和机械部件都必须从零开始重新设计,因为目前没有任何一种可以从市场上现成获取。

        创造这样一种机器人的整个过程需要我们新的想象:在不用螺栓和螺钉的情况下,如何构建机器人的形体,如何让机器人移动等。工业机器人模拟人体肩-臂-腕关节运动用的是刚性骨骼,可以用简单的几何关系来描述它们的运动,例如,在固定点上围绕空间旋转的连杆机构可形成一个完美的圆圈;而软体机器人手臂则像章鱼触手一样,可在其臂长所及的每一个任意点上向外延伸或向内收缩,不存在简单的几何关系。

        软体机器人有望给许多领域内的技术开发带来根本性的改变,最直接的应用将是水栖机器人、工业机器人和医疗机器人。水栖机器人包括用于勘探的廉价机器人、用于检测和焊接的海上机器人等;软体工业机器人手臂和机械手将解决仓库物流的许多问题,让机器人能够与人类同事合作;医疗机器人的应用包括某些外科手术工具 (特别是内窥镜)、假肢或矫形器等。

        如果说章鱼是软体机器人最为理想的模仿对象,那么最理想的致动器就是肌肉,肌肉组织是一种可将能量直接转化为机械运动的精巧换能器,肌肉组织还具有自组装和自愈能力。目前软体机器人的“肌肉”有一个显著的缺点,即所使用的材料大部分为橡胶———一种完全被动的能量耗散型材料,任何时候都只能纯粹作为一种阻尼器。新的研究方向是开发一种能将能量转化为机械运动和力的新型传感器,通过生物肌肉可伸缩和柔软的性质,来实现两种新奇功能:一是实现全身形变,像章鱼那样可收缩挤进一个瓶子里;二是实现肌肉组织的顺应性,这种特性可用于适应人体结构的、舒适的可穿戴机器人和手术机器人。

        将智能流体与人造肌肉注入软体机器人,我们就将拥有一个可改变材料刚度的系统,就像可以随意伸缩的真正的肌肉一样。

        让“面团”动起来

        加压流体由于其易用性和固有的安全性,在软体机器人中得到了广泛应用。尤其是在气动力学应用中,包括工作流体软壳的设计,可引导压力沿所需路径均匀膨胀。确切地说,软流体动力致动器是非常有效的传输系统,而不是传感器,所有的流体致动器都需要一个额外的组件,以流体加压的形式将势能 (电能或化学能) 转化为机械能。流体致动器的另一个主要的系统挑战是阀门的使用,阀门通常是刚性的,每个致动器都必须至少有一个物理机械结构来控制流体流动。

        化学能的前景也令人兴奋?;茏畛<睦丛词侨忌罩械奶记饣衔?甲烷和丁烷),或是进行催化分解 (如过氧化氢催化铂) 的单一组分的喷气机燃料 (不需要氧化剂的燃料)。这两种燃料系统的化学反应过程产生的性能指标截然不同,燃烧产生化学能速度快并能产生较大的变形,而单一组分燃料的催化分解过程则缓慢而持续。这两种燃料系统都需要额外的机械结构 (阀门、调节器、油箱等),在为软体机器人设计新的可嵌入软体的专用泵方面,有着巨大的应用潜力。

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        质子交换膜是一种可从电能中产生气动动力的新系统。这种由含离子聚合物构成的半透膜称为“离聚物”,即离子交联聚合物,可逆转水解过程产生氢和氧,或通过氢和氧产生水,从而有选择性地增加或减少气动压力。该系统提供了诱人的前景,最终有可能产生一种不需要移动部件的压力传感器。

        制造完全柔韧的机器人需要开发一系列新型组件,从阀门到电路,到控制可变形机器人手臂的方法。

        打印“软肌肉”植入“假关节”

        除了需要动力之外,软体机器人还需要对软流体的控制。

        阀门 控制流体流动最显而易见的方式,是通过机械阀以物理形式关闭某个开放通道。最普遍应用的软微流体控制机械是阀门,第一个通道充气膨胀引起第二个通道压缩关闭,通过互相接触两个通道的交互作用和延时作用,产生像软体动物章鱼那样的变形,引导机器人手臂有节奏地提升或下降。

        以阀门来模仿电子晶体管的信息控制行为,其方法是使用电流变液。这些“聪明”的液体在强电场作用下,可从液体变为固体,由此可在微通道内实现没有移动部件的阀门开关控制。

        液态金属合金 如果要让整个逻辑电路保持柔软且有弹性,提供较大电场的电极也必须是柔性的。为解决这一问题,研究人员使用了另一种智能材料:液态金属合金。在原有镓铟合金的基础上,偶尔添加一点锡,再添加微量的铜,这类合金在零下10℃时仍可保持液相,与其他可延伸复合材料相比导电性能很不错 (但其导电率只有铜的约二十分之一),这种由电流变液、液态金属和橡胶微通道组合而成的电子控制阀,将成为软逻辑电路的心脏。令人兴奋的是,如果给机器人注入这种由智能流体组合的“软肌肉”,获得的就不仅仅是一种作为控制开关的阀门,而是一种将机器人的刚性“肌肉”改变为像真正肌肉一样伸缩自如的系统。

        人工肌肉 为寻找产生流体压力传感器的替代方法,研究人员正在研究如何将化学能或电能直接转化为机械运动。人工肌肉本身就是一个独立于软体机器人的专门的研究领域,所采用的材料分好几种类型,开发最成功的是电活性聚合物———因其柔软性和大规模变形的潜力而具有广阔的前景,但这类材料制造困难、材质脆弱,且需要规模浩大的基础设施。

        另外几种奇特新颖材料中最为诱人的,是那些可将生物肌肉直接植入到软支架上的材料?;褂幸恢旨际?,是通过最基本的构造块来重建肌肉,如以蛋白质为核心合成一束束肌球蛋白。肌球蛋白是一种可沿肌动蛋白微纤维移动的聚合物分子,早期研究结果表明,它可以模拟合成一些关键的聚合物分子,但需要极端的温度、压力和酸度条件。

        多材料3D打印技术 为满足软体器件制造的挑战,需要改进软体材料直接3D打印的能力。打印硅橡胶束合成人造蛛网、软传感器以及有限变形能力致动器的研究,目前已取得了初步成功。

        多材料3D打印技术作为一种制造模式,是最接近生物制备叠层生长的人工技术。到目前为止,对多介质3D打印技术的研究主要集中在新的制造工艺,如同轴挤压 (使用同心嵌套的多个打印头喷嘴) 和多打印头。通过使用添加剂或颗粒灌注复合材料生产的组成成分不同的油墨,可让打印出来的材料拥有新的能力,或获得更大的强度。通过对油墨额外物理性能分布的控制,使打印对象获得有选择性的局部属性成为可能。

        生物学例子表明,不改变材料的成分但改变其物理形态,可改变其硬度、韧性和延展性等特性。不同的材料之间表现为不同的模式。人体内连接骨骼与肌腱的组织代表着跨越两个数量级的较大的硬度梯度,这种梯度是通过胶原纤维的结构排列和矿化密度来实现的。同样,在章鱼和鱿鱼中,刚性嘴和柔软的身体之间跨越的三个数量级的硬度梯度,是通过壳质纤维的结构排列和蛋白结合密度来实现的。大多数研究人员对这种模式化材料的模拟主要集中于微小变形元素上,或取得与生物实例连续梯度相接近的结果。哺乳动物的皮肤极有弹性且耐撕裂,主要得益于胶原蛋白纤维的卷曲和编排模式。所有这些不同例子中,纤维材料的结构起着阻止裂纹扩散的作用,大大增加了断裂发生所需的总能量,从而提高了韧性。

        利用多材料3D打印等新技术,通过控制材料结构和材料性能,在提高韧性的同时降低脆性。例如,多孔固体仿生材料通过显微结构模式的变化,可基本控制弹性。然而,要实现精确的三维打印模式,还需要在微观尺度上控制制造工艺的误差。

        模拟章鱼的动态移动 章鱼形态学和行为学研究为软体机器人的驱动和控制提供了灵感。在一些仿章鱼机器人中,软质材料与流体动力学的相互作用产生了令人信服的模仿行为,如动力臂的“抖动”动作。同样,在软体机器人手臂中引入硬质钢丝,可让“假关节”以章鱼的步态行走。

        从生物学的角度来看,理解章鱼运动是一个挑战,阻力系数或浮力系数的微小参数变化,可极大地改变模型中章鱼臂动力学的模拟行为,因此需要精确的实验来实现真实手臂的特性。对章鱼臂延伸行为动作的观察表明,章鱼似乎也是通过这一对参数来控制其柔软触手的。有意思的是,研究表明,章鱼是通过分布在触手上的末稍神经网控制触手伸缩运动的??山掠愦ナ值脑硕恢梅纸馕霸硕?,例如,通过观察一个复杂的扭转运动,可让机器人实现拧开瓶盖的动作。最新的生物实验结果表明,章鱼在任何特定时刻都会选择最方便的触手,来实现向任意方向的运动?;蛲ü苯幽7抡掠愕亩贫?,或通过机械力学预编程应用程序,章鱼的运动基元已被运用于软体机器人运动学,但研究人员的最终梦想,是通过简单的控制手段,来创建类似于章鱼的动态移动。

        核心问题是,软体机器人必须证明自己的价值,必须充分展示其明显的竞争优势。只有这样,才能让科幻成为现实。

        “软”“硬”竞争的未来

        软体机器人的研究与开发目前在很大程度上依赖于手工制作,技能和经验水平的不同会导致很大差异,进而影响软体机器人的机械特性。另外还需要对机器人和机器人子系统性能作直接比较的标准,目前已确定了一组致动器性能的通用指标,生物学家提出,软质致动器的性能参数要能与生物肌肉的性能参数相媲美。一个直观的度量标准是机器人系统的弹性模量,即软体机器人所要达到的柔韧度的值。

        但是,软体机器人开发的核心问题,是软体机器人必须证明自己的价值。尽管在工业环境中使用软体机器人的理由有很多,但最近在机器人比赛中获胜的仍然是传统的动作僵硬的刚性机器人手臂。一家工业软体机器人初创公司在早期曾取得很大成功,并受到了媒体的广泛报道,但最近宣布即将破产。尽管如此,研究人员仍然坚信软体机器人技术有着广阔的发展空间,但创业的经验表明,只有充分展示软体机器人的竞争优势,才能成功地将研究成果转化为人们接受的社会实践。

        在不久的未来,恰佩克科幻剧作中的场景将成为现实,面团样的湿软物质最终将变成柔软灵活的机器人,给人类带来一个全新的自动化世界。

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