2016年，這十篇論文讓「軟體機器人」不再遙遠

和傳統印象中冷冰冰硬邦邦的機器人相比，「軟體機器人」的靈活性和環境適應性更高，也更接近於自然界中真實的動物。過去十年中，軟體機器人相關領域的研究在世界範圍內逐漸興起並形成了完整的研究體系。2016年8月，世界上第一個全軟體機器人：章魚型的「octobot」誕生，讓更多人了解到了這一領域。而2016年「軟體機器人」的突破，還不僅於此。

撰文 趙維傑

目前的軟體機器人中，成機以蠕蟲狀或章魚狀居多，而軟體抓手等實用性的工具已經取得了實際應用。在動力驅動原理方面，軟體機器人的驅動器（actuator）主要分為兩種類型：一種是氣動或液動的，也就是在軟體機器人內部設置容納氣體或液體的管道，通過管道中流體的流動產生推力，octobot 所使用的就是這樣的系統；另一種驅動器又被稱為「人造肌肉」，是利用可以響應外界刺激而產生形變的新型材料作為驅動器，其中最為著名的一種材料被稱為「介電彈性體」，這種彈性材料可以在外界電壓的作用下產生巨大的形變，並具有做功能力，與天然肌肉頗有相似之處。

我們整理了 sciencedaily 網站上報道過的，2016年中軟體機器人相關的研究工作，並重新整理介紹，在這裡推薦給大家。這些研究有些與驅動器的進展相關，有些製造了完整的軟體機器人（比如 octobot），也有些微妙的小技術可以讓未來的軟體機器人更智能、更像人類。

1，利用靜電力的軟體抓手，可抓取自身重量80倍、形狀複雜的脆弱物體，為食品加工業的自動化生產帶來新的選擇。

軟體抓手抓取水球、生雞蛋、紙張等形狀複雜的脆弱物體

此項研究發表於2016年1月13日的Advanced Materials，由瑞士科學家完成。抓手的「手指」由軟性材料製成的多層電極構成，可以在通電條件下發生形變，並與被抓取物體之間產生靜電吸引力，從而抓取物體。其原理與氣球經摩擦後粘在頭髮上類似。

文章信息：Jun Shintake, Samuel Rosset, Bryan Schubert, Dario Floreano, Herbert Shea. Versatile Soft Grippers with Intrinsic Electroadhesion Based on Multifunctional Polymer Actuators.Advanced Materials, 2016; 28 (2): 231 DOI: 10.1002/adma.201504264

2，超彈發光電容——智能軟體機器人的新「皮膚」。

拉伸後「皮膚」的發光強度增加

這項工作發表於2016年3月4日的Science雜誌，由康奈爾大學的科學家們完成。他們製造的這種超彈發光電容可以拉伸4倍以上，而發光亮度隨拉伸強度增強而上升。這種材料可以用作智能軟體機器人的「皮膚」，通過光強變化顯示軟體機器人的運動情況，實現「人機互動」。

文章信息：C. Larson, B. Peele, S. Li, S. Robinson, M. Totaro, L. Beccai, B. Mazzolai, R. Shepherd. Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing.Science, 2016; 351 (6277): 1071 DOI: 10.1126/science.aac5082

3，菲爾德金屬遇見多孔有機硅：低溫可變形的堅實材料。

可變形材料被填充於軟體觸手內部，充當「骨骼」。左圖：初始形狀；中圖：高於62℃條件下，軟體觸手發生形變（由外包的軟體材料驅動器驅動形變發生），骨骼隨之彎曲；右圖：降溫後，解除外包軟體驅動器的驅動，由於內部骨骼的形變被保留，觸手整體維持彎曲狀態。

這項研究由康奈爾大學的科學家完成（沒錯就是上面那項發光皮膚工作的研究組），作為封面文章發表於2016年4月13日的Advanced Materials。菲爾德金屬是鉍、銦、錫的共晶合金，熔點62℃，由於不含鉛而具有良好的生物相容性。研究人員將菲爾德金屬注入能產生高度形變的多孔有機硅泡沫結構內部，得到了這種可以在低溫（62℃算低溫啦）下改變形狀的剛性材料。這種材料與軟性材料的結合運用，可以為軟體機器人的整體設計提供更多可能。

文章信息：Ilse M. Van Meerbeek, Benjamin C. Mac Murray, Jae Woo Kim, Sanlin S. Robinson, Perry X. Zou, Meredith N. Silberstein, Robert F. Shepherd. Morphing Metal and Elastomer Bicontinuous Foams for Reversible Stiffness, Shape Memory, and Self-Healing Soft Machines.Advanced Materials, 2016; DOI: 10.1002/adma.201505991

4，真空驅動器，讓「人造肌肉」實現收縮。

「人造肌肉」的收縮帶動骨骼運動並托起排球

這項研究來自哈佛大學的科學家，發表於2016年6月1日的Advanced Materials Technologies。原有的軟體驅動器，尤其是氣動驅動器，大多是通過向軟體材料的特定區域充氣，使特定區域膨脹而產生運動。而在此項研究中，研究者們通過在軟體材料內部製造真空，實現了人造肌肉的收縮而非膨脹。這種新型的人造肌肉更加接近天然肌肉的運動模式，並且由於收縮運動沒有因充氣過度而爆炸的危險，這種人造肌肉也更加安全。

文章信息：Dian Yang, Mohit S. Verma, Ju-Hee So, Bobak Mosadegh, Christoph Keplinger, Benjamin Lee, Fatemeh Khashai, Elton Lossner, Zhigang Suo, George M. Whitesides. Buckling Pneumatic Linear Actuators Inspired by Muscle.Advanced Materials Technologies, 2016; DOI: 10.1002/admt.201600055

5，更好的介電彈性體驅動器：低電壓、高能量密度、無需硬質邊框。

介電彈性體薄膜在電壓作用下發生形變

這項來自哈佛大學研究人員的工作發表於2016年9月28日的Advanced Materials。介電彈性體驅動器有優於氣動/液動驅動器的形變速度和靈活性，但其所需的高電壓，以及對驅動器預拉伸和硬質邊框的需求影響了它在軟體機器人中的應用。本研究將介電彈性體與碳納米管電極相結合，製成的新型介電彈性體驅動器所需電壓更低、能量密度更高，並且不需要藉助任何硬質材料即可發揮功能。

文章信息：Mihai Duduta, Robert J. Wood, David R. Clarke. Multilayer Dielectric Elastomers for Fast, Programmable Actuation without Prestretch.Advanced Materials, 2016; DOI: 10.1002/adma.201601842

6，微型光控軟體蟲：光敏液晶彈性體的新世界。

軟體蟲在綠光碟機動下前進，底部標尺為5毫米

這項研究由波蘭華沙大學的科學家完成，發表於2016年11月的Advanced Optical Materials雜誌。在這項研究中，研究者們使用可以在綠色激光照射下發生形變的彈性液晶材料，製成了長度1.5厘米的人造軟體蠕蟲，這種軟體蟲可以在平面爬行，也可以爬坡或者從狹窄縫隙間通過。

文章信息：Miko?aj Rogó?, Hao Zeng, Chen Xuan, Diederik Sybolt Wiersma, Piotr Wasylczyk. Light-Driven Soft Robot Mimics Caterpillar Locomotion in Natural Scale.Advanced Optical Materials, 2016; DOI: 10.1002/adom.201600503

7，Octobot：世界首個全軟體機器人誕生。

捲起觸手的 octobot

這項成果發表於2016年8月25日的Nature雜誌，由哈佛大學的科學家完成。Octobot 的整體結構由3D列印成型，內嵌的化學氣動驅動器亦為全軟體結構。在 octobot 內部，過氧化氫經簡單的化學反應生成氣體，並經過管道系統被輸送到特定觸手的特定部位，使得觸手在氣體膨脹作用下發生形變，完成運動功能。

文章信息：Michael Wehner, Ryan L. Truby, Daniel J. Fitzgerald, Bobak Mosadegh, George M. Whitesides, Jennifer A. Lewis, Robert J. Wood. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots.Nature, 2016; 536 (7617): 451 DOI: 10.1038/nature19100

8，能夠精確預測彈性體運動模式的控制模型：讓軟體機器人更加可控。

彈性體在氣動驅動器作用下發生形變的模擬（上）和實驗（下）結果對比

這項研究發表於2016年9月27日的Scientific Reports，完成者為瑞士科學家。研究者通過計算機模擬，建立了可以精確預測彈性體在氣動驅動器作用下產生的運動和形變的模型，這個模型有助於未來軟體機器人的設計與控制。

文章信息：Gunjan Agarwal, Nicolas Besuchet, Basile Audergon, Jamie Paik. Stretchable Materials for Robust Soft Actuators towards Assistive Wearable Devices.Scientific Reports, 2016; 6: 34224 DOI: 10.1038/srep34224

9，可拉伸光導：讓軟體機器手擁有「觸覺」。

軟體機器手划過滑鼠（C）；通過內置可拉伸光導「感覺」到的滑鼠形狀曲線（D）

這項來自康奈爾大學研究人員的工作發表於2016年12月6日的Science Robotics創刊號。研究人員在軟體機器手的手指內部植入一組可拉伸光導（光纖），隨著機器手手指的形變，光線在光導中通過的能力也會發生改變。通過對光導透光能力的監測，就可以實現對於機器手與被觸碰物體之間壓力的感應，從而使機器手擁有「觸覺」。

文章信息：Huichan Zhao, Kevin O』Brien, Shuo Li, Robert F. Shepherd. Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides.Science Robotics, 2016; 1 (1): eaai7529 DOI: 10.1126/scirobotics.aai7529

10，數學模型：讓軟體機器人複雜運動設計模塊化。

在該模型指導下設計製造的軟體「手指」可以精確模擬人類手指的運動模式

這項來自哈佛大學的工作發表於2016年12月13日的Proceedings of the National Academy of Sciences。研究者們建立了用於精確模擬和預測氣動軟體手指運動模式的數學模型，依據該模型設計製造的軟體手指可以精確模擬人類手指向內彎曲、拇指向外彎曲等複雜動作。這一工作為軟體機器人的模塊式設計提供了可能。

參考文獻：

軟體機器人結構機理與驅動材料研究綜述，李鐵風等，力學學報，2016年7月