如何制造一個完美的機器人

文｜馬 迪

如何制造一個完美的機器人

文｜馬 迪

機器人真的只能是堅硬結實的嗎？或者說，如果不使用金屬，我們還能造出機器人來嗎？答案是肯定的。

對一個80后來說，提起機器人，我第一個想到的就是變形金剛，像擎天柱、威震天、大黃蜂那樣，既靈活可變，又鋼筋鐵骨。到后來的終結者、機械公敵、瓦力……這些銀幕上的機器人形象，無一不是響當當、硬邦邦的。直到2015年，全世界認識了《超能陸戰隊》中的大白。這個充氣醫療機器人有著圓潤的線條，像是一只超大號的氣球，柔軟又溫暖。

這不禁令人思索，機器人真的只能是堅硬結實的嗎？或者說，如果不使用金屬，我們還能造出機器人來嗎？答案是肯定的。

其實，從本世紀初開始，研究者一直在尋求使用較軟的材料（而不是常見的金屬和塑料）來制造機器人。“軟體機器人”領域，目標是創造更有彈性、可塑性和安全性的產品。同傳統機器人相比，它們靈活、適應性強，能更好地適應各種環境，承擔更大的沖擊力，有望在醫療、軍事、地質等多個領域發揮作用。

為了設計真正的軟體機器人，研究人員煞費苦心。大自然是最好的設計師，既柔軟又強壯的章魚成了“首席模特”。章魚沒有內外骨骼，八只爪子能靈活地伸向各個方向，能緊緊地纏繞物體，能自由伸長或縮短，它甚至還擁有很高的智商—相比于其他的軟體動物，章魚的大腦和神經系統發展的更為完善—當然，機器人設計者更關心的是章魚的身體。

來自哈佛大學的Octobot（章魚機器人）就是世界上第一部真正意義上的軟體機器人。它的名字取自章魚的octopus和機器人robot，一眼就能看出其章魚的屬性。它的外形也酷似章魚，只有手掌大小，全身由柔軟的硅膠構成，整體呈現半透明甚至完全透明。這樣一目了然、看不見一星半點的螺絲彈簧的機器人，究竟是怎么動起來的呢？

事實上，軟體機器人的設計過程中，最困難的部分就是如何使用軟質部件來替換硬質的電池和電子控制系統等部件。在此之前的軟體機器人都有同樣的問題：雖然肢體柔軟，但“心”仍然是硬的—控制系統仍然用常規泵閥，驅動系統也仍然要用剛性連接，并沒有做到完全的柔軟、靈活。

Octobot就不一樣了，它全身沒有任何硬質部件，不僅軀干，連控制系統和動力系統也使用柔性材料。Octobot屬于氣動式機器人，它的動力來自于一種常見的液體燃料—50%濃度的過氧化氫溶液。在鉑的催化下，燃料快速生成大量的水和氧氣，膨脹并增加通道內的壓強，機械臂因此舒展。和一般的電子回路相比，Octobot的回路中傳遞的不是電子，而是液體和氣體。

更妙的是，Octobot可以自主完成一系列動作（當然，動作還很簡單）。也就是說，它是真正的自主機器人—能夠進行很好的自我反饋、自我調整，按照“設定程序”去活動。

Octobot的“大腦”是一個柔性微流體回路。當其中的壓強加大時，就會打開一些微閥門，關上另一些微閥門，令四條腕足充滿氧氣；壓強降低則逆轉這個過程，系統切換，另外四條腕足也發生同樣的變形運動。就這樣系統不斷切換，機器人的腕足就交替地動起來了。

但目前而言，Octobot還不是一件成熟的產品。添加一次燃料（1毫升）只能維持它大約4-8分鐘的動力，自主運動模式也比較單一，還無法實現自主轉向。研究者也承認：“我們需要解決的問題是，如何對機器人重新編程，讓其執行不同的運動并對環境做出反應，而不僅僅是執行預編程的指令。”

也就是說，Octobot目前只是一種技術的展示，并沒有實際用途。也許你會認為，這樣概念性的軟體機器人并沒有什么用。的確，軟體機器人的結構和材料是非線性的，且擁有更高的自由度，這意味著動作更復雜，對算法和控制系統的要求更高。這將耗費幾代人的心血。但換個角度想，一旦將軟性材料的研究提高到一定程度，軟硬材料結合便能創造出近乎完美的機器人了—一種更穩定、更敏捷、更近似于人的機器人。

如果想要研制出和人類更接近的機器人，對軟體機器人的研究不可或缺。人體85%都是柔軟柔韌的軟組織，許多能力都依賴于這種“軟”。比如想要握住一只玻璃杯，我們的手指會適應杯子的形狀，如果手指毫無彈性，抓住這個玻璃杯難度顯然會大得多。因此，機器人能在多大程度上模仿人和人的行為，軟性材料的研究至關重要。

隨著3D打印技術的發展，科學家欣喜地發現，軟體機器人的時代似乎終于到來了。前文提到的Octobot，就是靠3D打印技術制成，并且價格低廉—單個Octobot 所用的全部材料加起來還不到3美元。成本之低廉令人意想不到，這也將大大降低機器人的制造成本。

軟體機器人對于人類未來生活的作用將是巨大的，它將能做很多剛性機器人無法做到的事情，例如進入極狹小、極曲折的復雜空間，照顧最柔弱的生命體等等。研發軟體機器人是該領域的一個必然趨勢，但是不管什么時候，軟體機器人都不能完全取代剛性機器人。只要兩種技術相輔相成，打造完美的機器人也就不再遙遠了。