【儀表網 儀表下游】導讀：天津大學材料學專家封偉與合作者設計出一種4D打印的軟體機器人。該原型機是管狀的，能在加熱時自我組裝，并可以承擔挑戰性任務，比如爬坡、在崎嶇不平和不可預知的地形中行進。
 

　　開始時，機器人是一片3D打印液晶彈性體(一種有彈性的塑料材料)扁平矩形薄片。當下表面被加熱時，機器人會自動扭曲，形成一個類似彈簧的小管。在外部刺激下的形狀變化在打印過程中增加了第四個維度——時間，使其成為4D。
 

　　一旦機器人變成一個小管，熱表面的接觸就會在材料中產生應變，導致其向一個方向滾動。這種運動背后的驅動力十分強大，以至于機器人可以爬上20°的斜坡，甚至可以扛起相當于自身重量40倍的重物。而且，機器人的長度影響其速度，長機器人比短機器人滾動得更快。
 

　　研究人員拍攝了展示機器人技能的視頻，包括不同大小的機器人和機器人推車的比賽。視頻還展示了機器人行為是如何根據周圍環境而改變的，當遇到不可逾越的障礙時，機器人要么爬上臺階，要么改變方向。
 

　　通過4D打印將液晶彈性體加工成各種形狀的樣品，并用光、熱和電刺激這些樣品來觀察它們的反應。在未來，這些軟體機器人可能被用于在管道等狹小、封閉的地方或在200℃的條件下工作。軟體機器人不再局限于被用作簡單的驅動器——只能在一個固定的位置改變形狀。
 

　　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。
 

　　醫療和手術應用。軟機器人天生具有與生物體的自然組織兼容的優勢。微創外科手術為軟體機器人提供了一個巨大的舞臺。軟體機器人能夠突破傳統微創外科手術方法的局限，如低自由度的操作設備給手術帶來的限制。倫敦大學研制的剛度可控的章魚狀微創外科手術機器人手臂運用了仿生學原理，根據手臂機械性能的需要通過控制機械手臂的剛度更好地配合手術進行，柔軟的材質將手術的傷害降到低。
 

　　資料來源：戰略前沿技術、中國科學報