【儀表網 儀表下游】導讀：來自新加坡科技設計大學的研究人員將兩種不同的方法結合起來，創建了一個綜合工作流程，以開發用于設計和制造定制軟體機器人的新型自動化流程。該團隊開發的方法可以應用于其他類型的軟體機器人，實現了以一種簡單易行的方式定制機械性能。
 

　　軟體機器人是一種新型柔軟機器人，能夠適應各種非結構化環境，與人類的交互也更安全。機器人本體利用柔軟材料制作，一般認為是楊氏模量低于人類肌肉的材料；區別于傳統機器人電機驅動，軟體機器人的驅動方式主要取決于所使用的智能材料；一般有介電彈性體(DE)、離子聚合物金屬復合材料(IPMC)、形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)等等，從響應的物理量暫時分為如下幾類：電場、壓力、磁場、化學反應、光、溫度。科學家依此設計了各種各樣的軟體機器人，大多數軟體機器人的設計是模仿自然界各種生物，如蚯蚓、章魚、水母等。
 

　　軟體機器人是研究的一個主要領域，因為軟體機器人特別擅長在有人類的環境中工作，而且更加靈活。軟體機器人的靈感來自于生物體的靈活形態，在傳感、運動、物體抓取和操縱等方面有廣泛的應用。通常情況下，軟體機器人是使用手工鑄造技術制造的，這限制了研究人員可以實現的復雜性和幾何形狀。對于新的機器人，該團隊使用3D打印或增材制造，在一個支持性矩陣中擠出各種材料油墨。
 

　　該工藝特別適合于制造由多種材料或復合材料制成的軟體機器人。該團隊使用拓撲優化來確保他們的軟體機器人的較佳設計，使用數學模型在一組特定的約束條件下設計定制的結構。將這兩個步驟優化成一個單一的框架，使作者能夠開發出一個集成的工作流程，用于創建定制的軟體機器人，同時最大限度地減少潛在的錯誤。
 

　　在他們的研究中，該團隊創建出了一個會游泳的自主機器人，其靈感來自于雙足動物，工作流程從定義機器人的鰭的幾何形狀開始，然后利用拓撲優化在規定的材料和運動約束下生成具有所需屬性的設計結構。設計被轉化為由定制的3D打印機讀取的代碼，用于制造機器人。
 

　　這些軟體機器人被設計為在海洋環境中生存，該方法的重點是調整鰭的組成，以評估這些變化如何影響機器人的游泳性能。研究人員在優化后發現，優化后的復合鰭比采用傳統鑄造的軟鰭的同類產品快50%。它也比采用硬鰭的機器人略快。
 

　　應用熱點領域
 

　　軟體機器人在生產生活中具有極其廣泛的應用。根據其使用場景可分為以下3種主要運用領域。
 

　　人機交互康復機器人。相比于傳統剛性機器人，軟體機器人柔軟的機體使其可以更高效、安全地與人類和自然界進行交互。如同人體靈活的軀干與肌肉，軟體機器人柔軟的機體、彎曲的形態和不規則的表面令其在不同環境中能夠更為靈活的運動。因此，將軟體機器人與可穿戴設備結合用以幫助特殊人群完成生理活動。哈佛大學的軟體機器人手套利用軟體致動器組成的模壓彈性腔與纖維增強，誘導特定的彎曲，能夠使肌肉或者神經受損的患者獨立把握物體。研究者們對這些軟致動器進行機械編程，以匹配和支持使用者個別手指的精確運動。與此相似的還有拇指柔性康復手套。除小型的穿戴設備外，還出現了步態協助軟機器人exosuit這樣覆蓋全身的大型可穿戴設備。它可以像正常的衣服一樣佩戴，最大限度減少與穿著者的相互干涉，對穿戴者起到輔助作用。目前，中國已經成為世界上老年人口最多的國家，也是人口老齡化發展速度最快的國家之一。中國正逐步進入老齡化社會，加之社會經濟的穩步發展，大眾對于服務機器人的需求日益增長，在人機交互和康復領域有著廣泛運用，更應受到更加廣泛的關注。因此，大力發展軟體機器人應用技術，提高研發水平，早日實現其在人機交互及康復領域的運用和普及，滿足社會發展及市場的需求。
 

　　勘探、野外運動。在地震、洪水等自然災害發生時，抑或遇到懸崖、巖洞、海底等復雜未知環境，用機器人代替人類工作就顯得十分必要。傳統的剛體或超冗余度機器人對復雜環境的適應能力不足以承擔日趨精密的勘探任務，而軟體機器人則可以利用自身柔軟、彎曲程度高、自由度大等優勢很好地適應不同的復雜環境，承擔起勘探、救援等工作。一種柔軟可變形機器人可以通過爬行、跳躍等方式在崎嶇的地形中輕松自如地移動。此外，利用內燃爆炸驅動的方式，機器人可以不受限制地跳躍通過各種障礙。在水下，柔軟的尾鰭推進機器魚可以像魚一樣潛水、擺尾、游動，進而完成水底勘探、搜尋等工作。而仿生章魚機器人運用仿生學原理，可以通過狹小的通道并利用非結構化的觸手在曲折的地面前進或作出抓取動作。此外，斯坦福大學研發了一款新的軟體機器人Vine-link robot。此機器人全身由薄的軟塑料包裹而成，形成類似于管狀的軀體，且有部分向內折疊。科學家通過固定端往機器人的軀體內注入壓縮空氣，通過流體驅動的方式將內部折疊部分展開膨脹，致使軀體延伸并按照設定方向前進。在研究人員公布的資料中，Vine-link robot可以舉起100 kg的木箱，以各種蜿蜒曲折的姿態通過不同的障礙物，并可以抵御火焰的高溫。在Vine-link robot頂端安裝攝像頭，可以通過實時的畫面傳輸獲取機器人所在環境信息，配合機器人柔軟軀體帶來的靈敏性，完成相應勘探或救援任務。在未來勘探救援領域，軟體機器人可發揮重要作用。
 

　　資料來源：cnBeta、科技導報