軟體機器人前沿技術及應用熱點

隨著材料學、化學、控制等學科的不斷突破，人們對章魚、蠕蟲、海星等軟體生物的觀察及建模有了突破性進展，並衍生出一門新的機器人研究方向——軟體機器人。本文通過回溯軟體機器人的發展歷程，介紹了近年來軟體機器人在材料類型、驅動方式、應用領域等方面取得的進展以及面臨的挑戰，並結合中國國情展望了軟體機器人未來發展的前景與方向。

傳統機器人大多由限制了彈性變形能力的剛性材料製成，其形狀適應特定的外部約束與障礙，具有高度精確性的特點。對這些剛性機器人的運用傾向於專業化與精確化，它們很難表現出高度可變形能力與對不同情況的適應性。隨著機器人運用領域繼續擴大，醫療保健、複雜地形勘探等特殊領域對機器人提出了更加嚴苛的要求，能夠適應非結構化環境的特殊機器人成為科學界研究的熱點方向。研究者們通過模仿自然界中的軟體動物，研製出了軟體機器人。軟體機器人較少甚至完全不使用傳統剛性材料，而是採用流體、凝膠、形狀記憶聚合物等可成型材料。這種材料表現出與軟體生物一般的彈性和可變形性質，可以承受大應變，允許機器人在各種不同環境下進行大幅度地拉伸收縮。通過對機器人機體的主動變形，改變其原有的形態結構和尺寸，以適應多變的環境進行特定操作。此外，軟體機器人大多採用流體驅動、物理驅動、內燃爆破驅動等驅動方式。軟體機器人的發展經歷了由部分軟體到全軟體、由有拖纜到無拖纜的轉變。其在工業易碎物品抓取、狹窄空間探測及野外勘探、抗險救災、醫療輔助等領域均有著廣泛的使用價值，但在材料、加工、自主控制等方面，軟體機器人技術仍然存在一定缺陷並面臨著挑戰。本文通過分析軟體機器人的發展歷程，聚焦其在材料運用、驅動方式、應用前景等方面的發展狀況，展望軟體機器人技術未來的發展方向。

01、發展歷程

傳統的剛體機器人通過眾多剛性連接的接頭來實現多個自由度的運動，但有限的自由度不足以實現其在更為複雜的環境中自由運動。為此，科學家通過增加連接節點數，以此來實現更高自由度的運動。這種自由度數（主動關節數）大於完成某一作業任務所需最少自由度數的一類機器人稱為超冗餘度機器人（圖1）。

圖1 超冗餘度機器人

之後產生了一類能夠沿其長度不斷彎曲、產生平滑曲線的機器人。這類機器人沒有剛性鏈接或明顯的旋轉接頭，對更為多變的工作環境有著較強的適應能力，被稱之為連續型機器人。美國克萊姆森大學的Walker和Gravagne等對連續型機器人深入研究，研製了仿象鼻子機器人，該機器人結構上分為4段，採用四線驅動的方式，通過各關節的協調控制，可在三維空間內靈活彎曲並具有一定的負載能力，能實現對一定質量與形狀的柱體和球狀物體的握取。

自然界中的生物利用自身軟體結構能夠有效地適應複雜多變的環境。這些軟質部分同它們的身體結構與中樞神經系統形成一個完全集成的控制系統。這些柔性組織具有眾多的優勢，幫助動物克服和適應不斷變化的外界條件環境：一方面，柔性組織可以形成柔軟表面，在較大的面積上分布應力、增加接觸時間，從而最大程度地降低衝擊力；另一方面，具有高度靈活和可變形的結構為動物提供額外的功能優勢，如使身體進入狹小的空間中尋求庇護或進行狩獵。研究人員通過模仿自然界中軟體生物的生物力學特性，設計製造了由新型軟體材料構成的軟體機器人。軟體機器人具備了無限自由度和連續變形能力，對於傳統機器人無法到達或正常工作的特殊環境有著極強的適應能力，柔軟的構型材料使機器人具備更強的人機交互能力。隨著人們在醫療、野外勘探等領域對機器人的特殊應用需求日益增長，軟體機器人技術逐漸成為學界研究的熱點之一。

科學家從20世紀便開始了對軟體機器人的探索。1989年，日本岡山大學軟體機器人實驗室完成了早期的軟體機器人——小型柔性機械手（圖2（a））該機械手採用白色硅膠材料澆築而成，使用壓縮氣體驅動方式，具有7個自由度能夠完成基本抓持動作。此後，岡山大學研究室又先後完成了仿蠕蟲自主推進式內窺鏡（圖2（b））及氣動蝠鱝（圖2（c））兩種採用硅膠材料和氣動驅動模式的軟體機器人。2007年，美國國防部高級研究計劃局綜合應用了材料化學以及機器人學，研製出能夠通過改變自身形態來通過狹小空間的化學機器人Chembots（圖2（d）），開闢了軟體機器人在勘探領域的運用。

圖2 軟體機器人

近年來，得益於材料科學、控制、機電等學科的發展進步，軟體機器人技術飛速發展。為提升機器人在野外勘探中的靈活性和工作能力，無拖纜軟體機器人成為新的研究熱點並取得重大進展：2014年，哈佛大學自主研製了一款仿海星軟體機器人（圖3）。此機器人由高彈性硅膠材料構成，並使用電動空氣壓縮機提供動力，可以自主行進長達2 h，能夠承高強度衝擊、碾壓等作用，甚至具備在嚴寒氣候、大風、水坑、火焰炙烤等惡劣條件下工作的能力。義大利BioRobotics研究所於2015年設計出一款防生章魚則在成型材料及驅動方式上有所突破：該機器人利用硅膠包裹網狀的SMA結構進行耦合變形，以此獲得了觸手抓取的動力，機器人觸手的爬行、遊動則由曲柄搖桿機構帶動。

圖3 仿海星軟體機器人

2016年，美國哈佛大學仿生機器人實驗室自主研發的軟體機器人Octobot（圖2（e））發表於《Nature》，引發學術界廣泛關注。Octobot是世界上首個全軟體的機器人，其基體由3D列印技術製造而成，由化學反應提供所需動力，採用流體驅動的行進方式。在此之前，電池、電路板等剛性電子器件都在制約著機器人朝著全軟體、無限自由度的方向發展，造成機器人在實踐運用領域的局限性。而Octobot所需的燃料儲存、電源及驅動模塊均採用3D列印技術由軟體材料列印完成。Octobot可以完成爬、游泳等基本活動並與外界環境進行互動，是一款自主性極高的軟體機器人。更重要的是，全軟體機器人的成功為軟體機器人發展帶來了跨時代的突破。

國內軟體機器人近幾年發展勢態迅猛。2016年，中國科技大學計算機學院陳小平團隊的氣動蜂巢網路軟體執行器（圖2（f））在國際軟體機器人研究領域引起極大反響。氣動蜂巢網路是一種天然的剛柔合一型結構，具備大幅變性、高靈活度、高負重比和低成本4大特性，為消除剛性機器人的本質局限性開闢了一條具有巨大潛力的新途徑。2017年，北京航空航天大學王田苗、文力團隊與德國自動化技術商Festo合作完成了OctopusGripper（圖4）的研製，這是中國軟體機器人領域發展的又一次突破。OctopusGripper是一款防生章魚軟體觸手，由氣動的軟硅膠結構構成，其具備的柔性抓取特性可以實現對多種不同形態、大小的物體穩定、無損地抓持。這種對不同形態大小物體抓取的普適性，在工業製造、醫療康復等領域有著廣闊的運用空間。此外，上海交通大學谷國迎課題組研發的三爪纖維增強型氣動軟體抓手具有良好的氣密性和抓取能力，能夠實現對不同形狀和尺寸物品的精確抓持；浙江大學李鐵風、黃志龍課題組開發出的軟體仿生機器魚在水中的速度刷新了世界已出現的同類型軟體機器魚的極限。在我國，越來越多的大學開始了對軟體機器人領域更為深入的研究。

圖4 防生章魚軟體觸手

隨著人們對自然更加深入了解、對軟體動物及其特有結構的認識更加清晰，可以預見，軟體機器人領域必將迎來新一輪快速發展。

02、智能材料前沿研究

為了達到更好的運動靈活性，軟體機器人的基體大多採用硅膠等柔軟的高彈性材料。隨著材料科學的進步，一批新型合成材料進入了軟體機器人領域，如multigait 軟體機器人使用彈性聚合物為材質實現了更大的靈活性。此外，由於傳統電機不適合直接用於軟體機器人的制動，形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）也被廣泛選擇為柔性致動器。以下詳細介紹了硅膠、SMA、離子聚合物-金屬複合材料（ion-exchange polymer metal composite，IPMC）軟體、水凝膠等常見軟體材料及特性（表1）。

表1 常見軟體材料性能比較

橡膠。橡膠是軟體機器人發展歷程中使用最早且運用最廣的材料。橡膠的化學成分和物質構造，令其具有了優於其他同類型材料的特點：吸附能力強、熱穩定性好、化學性質穩定等。橡膠10~80 HA邵氏硬度的寬廣範圍給予研究者充分的自由選擇所需硬度，其優異的拉伸強度、撕裂強度以及伸長率為軟體機器人的運用提供了條件。

形狀記憶合金。形狀記憶合金SMA是一種新型的功能性材料，加熱後能夠恢復原始形狀，消除在低溫狀態下所發生的變形，具有形狀記憶、超彈性和可變剛度等特性。由於具有這些顯著特性，形狀記憶合金已經成為結構振動控制研究中一種優越的感測和驅動材料，並大量運用於軟體機器人的開發研究中，在軟體機器人成型及驅動中發揮著重要作用。

IPMC。IPMC是一種電致變形的智能材料（離子型），具有驅動電壓低（10 Hz）、低功耗、密度小、柔韌性好等優點。而採用IPMC材料製作水下軟體機器人的推進器具有擾動小、無污染、無噪音、無需潤滑等特點。這些特點都是許多傳統剛性機械裝置所不具備的。

響應水凝膠。凝膠擁有獨特的基於化學鍵或物理作用交聯形成的三維網狀結構。響應水凝膠在外界環境變化時通常展現出獨特的響應性溶脹行為，如一些水凝膠能因外界pH值、溫度、光電信號、特殊化學分子等微小變化，而產生相應結構的變化。由於智能水凝膠有著能夠隨外界環境變化而產生形變的特性，所以其常用作智能驅動材料應用於軟體機器人外形塑造與驅動等領域。

03、驅動方式前沿研究

對研究者而言，為使軟體機器人發揮作用並達到預期效果，選擇合適的驅動方式便成為一項重要課題。軟體機器人因其材質與結構的特殊性，對驅動方式的選擇也有著更高的要求，如追求更大的自由度、靈活性、伸展性等。軟體機器人的驅動方式大致可分成物理驅動、流體驅動和電活性聚合材料（electro-active polymer，EAP）驅動等。

物理驅動。通過內置形狀記憶合金驅動器使軟體機器人運動是當前較為流行的物理驅動方法，如義大利仿生機器人研究所研製的仿生章魚（圖5）。機器人全身由硅膠薄膜包覆網狀形狀記憶合金澆築而成，通過網狀形狀記憶合金耦合變形實現觸手的抓取，曲柄搖桿機構帶動觸手做出相應的爬行、遊動等動作。此機器人的靈感來自自然界中章魚的全柔性觸手，樣機受控變形效果近似生物原型，具有運動可模擬預測、環境自適應遊動等優點。但仿生章魚機器人僅觸手開發較成熟，整機完成度低，驅動控制仍需拖纜輔助，存在著較大的提升空間。

圖5 仿生章魚

流體驅動。流體驅動方式利用氣、液等流體，通過其變形結構使軟體機器人內部腔體收縮、膨脹，以達到受控變形和運動的目標。氣動人工肌肉（PAM）是一種早期的流體致動器，是由纖維套筒包裹可變形彈性管體構成的一種柔軟的線性執行器。軟體機器人使用PAM驅動的典型案例是哈佛軟體機器人實驗室研製的人工心臟（圖6）。人工心臟外體為硅膠澆築，內部螺旋狀埋設人工肌肉。人工心臟通過氣動人工肌肉（PAM）控制自身運動，選擇性激活或關閉人工肌肉單元，進而模擬心臟肌肉收縮規律，並使用軟體進行數值模擬。

圖6 人工心臟

逐漸地，軟體機器人開始使用彈性更為強大的流體致動器FEA（fluidic elastomer actuator）。FEA是一種新型的具備高變形性和適應性的柔性致動器，它具有合成材料構成的彈性體層和具備較大變形能力的加壓流體擴大嵌入式通道，這類獨特的結構通常被稱為氣網（PN）。FEA中使用的壓力可以是氣動或液壓。由於自然環境中的空氣具備易獲取、質量輕、無污染等性質，因此氣動系統通常優於液壓系統。波動蛇形運動軟體機器人由4個雙向FEA制動器串聯構成，機器人從頭部到尾部沿其身體曲率曲折前進，身體帶有剛性被動輪，被動輪之間產生側向摩擦提供前進運動的分力。通過軀體不斷扭曲，蛇形機器人最快可以達到19 mm/s的速度。iRobot 公司的干擾皮膚機器人則採用另一種氣動驅動方式。內部氣囊膨脹引起未受干擾的部分變形為機器人提供動力，由此帶動機器人整體滾動前進。

除了控制氣體引起軟體軀體形變獲得動力外，研究者們還通過壓縮氣體產生衝量推動機器人前進。美國斯坦福大學Denila Rus等最新研製的尾鰭推進機器魚（圖7）利用硅膠澆築機器魚的頭部與尾部，用3D列印技術打造連接架部分。尾鰭推進機器魚採用壓縮空氣或二氧化碳等氣體產生推理前進，整體式人工肌肉（尾部2組空腔）進行方向控制，無需拖纜、遙控，自備動力源自主遊動，可快速機動躲避障礙物。然而，壓縮空氣驅動使得廢氣不斷冒出，不利於機器魚水底作業隱蔽。

圖7 尾鰭推進機器魚

內燃爆炸驅動是氣動驅動中的特例。哈佛大學Tolley等研製出自主跳躍軟體機器人（圖8）。該機器人外部軀體結構由硅膠樹脂組成，依靠爆炸產生高壓燃氣進行推進。簡單來說，就是一種「充氣」再「放氣」進而產生動力的跳躍方式。機器人底部設計了一個致動裝置，裝置內部加入了氧氣和丁烷，通過火花點燃氣體使氣體爆炸後膨脹，而利用軀體膨脹的程度不同則可以控制機器人彈跳的方向。「放氣」後的機器人彈跳高度可以達到0.6 m，所有步驟的實行不需外界控制系統的輔助。機器人運用3D列印技術列印剛性材料與軟體材料混合的骨架，並採用剛性部件拼裝，所有剛性部件如PCB、氣瓶、氣閥、電池等內置處理，可以很好保護機器本身適應劇烈形變而不致損壞。

圖8 自主跳躍軟體機器人

EAP 驅動。電活性聚合材料EAP是一類在外加電場刺激下產生大幅度形變的新型柔性材料。與形狀記憶合金等傳統功能材料相比，EAP具有形變能力強、功耗低、響應迅速、柔韌性好等眾多優點，因此常被用作軟體機器人的驅動材料，並相應地衍生出一種新的驅動方式。根據換能機制的區別，EAP驅動可以分為離子型（IPMC）和電場型（DE）兩種驅動模式。

離子型EAP驅動是在電化學的基礎上，以化學能作為過渡實現電能到機械能的轉化，而IPMC材料的運用是這種驅動方式的典型代表（圖9）。當對IPMC材料的厚度方向施加電壓時，IPMC 會向陽極彎曲，產生較大的變形。反之，當IPMC受到彎曲變形時，IPMC也會在厚度方向產生電壓。通過這種特殊性質，IPMC 材料可以構成一個機電耦合系統。研究人員使用IPMC軟體材料基於仿生學製造軟體機器人，如蛇形游泳機器人或多自由度微型機械手。通過切割IPMC致動器表面電極，可單獨控制每個軀體身段，以便實現蛇形或多自由度彎曲運動。

圖9 EAP 驅動人工肌肉原理

電場型EAP驅動是由電場驅動產生電效應力，直接將電能轉化為機械能，進而在宏觀上表現出電致動特性。這種驅動方式可產生較大輸出力，但激勵電場電壓較高。介電高彈體材料（dielectric elastomers，DE）常運用為此驅動方式的驅動器材料。Kofod等基於介電高彈體材料製作了軟體三角狀抓手，可抓起輕質的柱狀物體。Jung等以蠕蟲為仿生原型，設計出以DE材料為單元的驅動器，以6個基本單元為一組，形成一個二級的柱形單元，並將一組組合成後的二級單元連接成尺寸大小不同的蠕蟲機器人，實現了1 mm/s的爬行速度。

04、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。相比於傳統剛性機器人，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。如同人體靈活的軀幹與肌肉，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（圖10）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，大眾對於服務機器人的需求日益增長，而軟體機器人作為此類型機器人中的佼佼者，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。

圖10 軟體機器人手套

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、岩洞、海底等複雜未知環境，用機器人代替人類工作就顯得十分必要。傳統的剛體或超冗餘度機器人對複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複雜環境，承擔起勘探、救援、偵查等工作。一種柔軟可變形機器人（圖11）可以通過爬行、跳躍等方式在崎嶇的地形中輕鬆自如地移動。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、遊動，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並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（圖12）。此機器人全身由薄的軟塑料包裹而成，形成類似於管狀的軀體，且有部分向內摺疊。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摺疊部分展開膨脹，致使軀體延伸並按照設定方向前進。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，並可以抵禦火焰的高溫。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。

圖11 軟體可變形機器人

圖12 會生長的軟體機器人

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（MIS）為軟體機器人提供了一個巨大的舞台。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。倫敦大學研製的剛度可控的章魚狀微創外科手術機器人手臂（圖13）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最低。此外，哈佛大學實驗室研發的氣動人工心臟，岡山大學的仿蠕蟲自主推進式內窺鏡可用於檢查病人身體內部情況，這種柔軟的內窺鏡對人體傷害幾乎為零。在手術室中，機器人系統廣泛運用於軟、硬組織手術。而軟體機器人依靠自身的優勢特性，能夠有效地輔助外科醫生的實際操作，使得手術更加精確、傷口更小、流血更少，術後恢復所需時間更短。當下，在「互聯網+」這一新的經濟形態推動下，現代通信技術同醫療領域結合已成為推動醫療衛生改革發展的重要環節。而軟體機器人同現代通信技術的結合與應用，將極大改善醫生手術時的設備條件，使遠程手術的現實與普及成為可能，更將推進國民醫療衛生保障體系的建設，為看病難、醫療資源分布不均等問題的解決提供了新的思路。

圖13 剛度可控的章魚狀微創外科手術機器人手臂

05、結論及展望

軟體機器人這一全新的研究思路，開啟了一個令人興奮的機器人技術新方向，在近年來取得了長足的進步。但是，作為一門新興技術，軟體機器人技術的發展涉及材料科學、生物工程、機電、控制等多個學科，從材料選擇、動力輸出、模型構築、實際運用等方面還有著許多問題等待著研究者深入探討。

現有的軟體材料如SMA、水凝膠、IPMC 等已經趨近成熟，並推動軟體機器人的發展，但這些材料在應力、應變、壽命、價格等方面仍然存在缺陷，不能滿足軟體機器人高速發展的現狀。軟體機器人通過仿生學實現其適應性、彈性與流變特性，可考慮將其與生物材料直接聯繫，通過合成材料與生物材料聯合、材料科學與生物工程科學有機結合，開發出更具生物相容性和生命性的新型軟體材料。可以預見，由天然肌肉組織和軟體電子材料等組成的合成細胞將代替現有的軟體材料進一步推動軟體機器人的發展。

理論上，軟體機器人可以實現無限自由度的運動，這也是相較於傳統剛性機器人的優勢所在。然而，受限於驅動方式和致動器數量，要精確控制機器人的運動需要大量感測器數據反饋與處理，在實際運用中難以保證控制實時性。因此，強化仿生智能控制演算法研究成為軟體機器人研究的新熱點，通過有效計算控制機器人移動、機體剛度與形變程度，更好地適應多變的環境，構建更加智能的機器人。

在中國，軟體機器人在勘探、醫療、養老等多個領域有著重要的用途與發展前景，但高昂的生產成本依舊制約著這項新技術的普及。為了實現商業上的可行性和在實際運用中的普及，軟體機器人還應朝著廉價與大規模化生產的方向發展。隨著激光微加工、計算機數字化控制（CNC）數控加工和3D列印等新技術新工藝的蓬勃發展，這些方法正逐步運用至軟體機器人的製造加工中，將極大地降低機器人的生產成本。此外，人工肌肉、皮膚和支持機械運用的神經系統可以通過模板光刻、噴墨列印等技術運用在機械生產中，也為軟體機器人的商業化發展帶來了新的思路。

在世界經濟整體低迷的時代背景下，中國經濟面對著較大的下行壓力，經濟增速變緩，但是經過長時間發展的國內製造業水平已經獲得明顯提升，以軟體機器人為代表的高端製造行業正準備迎來快速增長期，並極有可能成為引爆中國經濟的又一個切入點。

隨著軟體機器人向著更深更遠的方向發展以及智能化水平的提高，其應用將對醫療衛生、養老康復、勘探救援等領域產生顛覆式的影響。由此來看，中國軟體機器人產業大有可為。

來源： 科技導報

作者：侯濤剛，王田苗等

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