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(jié)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(jié)者、機械公敵、瓦力……這些銀幕上的機器人形象，無一不是響當(dāng)當(dāng)、硬邦邦的。直到2015年，全世界認識了《超能陸戰(zhàn)隊》中的大白。這個充氣醫(yī)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(jié)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(lǐng)域，目標是創(chuàng)造更有彈性、可塑性和安全性的產(chǎn)品。同傳統(tǒng)機器人相比，它們靈活、適應(yīng)性強，能更好地適應(yīng)各種環(huán)境，承擔(dān)更大的沖擊力，有望在醫(yī)療、軍事、地質(zhì)等多個領(lǐng)域發(fā)揮作用。

為了設(shè)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(shè)計師，既柔軟又強壯的章魚成了“首席模特”。章魚沒有內(nèi)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(jīng)系統(tǒng)發(fā)展的更為完善—當(dāng)然，機器人設(shè)計者更關(guān)心的是章魚的身體。

來自哈佛大學(xué)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(gòu)成，整體呈現(xiàn)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(shè)計過程中，最困難的部分就是如何使用軟質(zhì)部件來替換硬質(zhì)的電池和電子控制系統(tǒng)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(tǒng)仍然用常規(guī)泵閥，驅(qū)動系統(tǒng)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(zhì)部件，不僅軀干，連控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)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(nèi)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(dāng)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(diào)整，按照“設(shè)定程序”去活動。

Octobot的“大腦”是一個柔性微流體回路。當(dāng)其中的壓強加大時，就會打開一些微閥門，關(guān)上另一些微閥門，令四條腕足充滿氧氣；壓強降低則逆轉(zhuǎn)這個過程，系統(tǒng)切換，另外四條腕足也發(fā)生同樣的變形運動。就這樣系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)自主轉(zhuǎn)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(zhí)行不同的運動并對環(huán)境做出反應(yīng)，而不僅僅是執(zhí)行預(yù)編程的指令。”

也就是說，Octobot目前只是一種技術(shù)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(jié)構(gòu)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(fù)雜，對算法和控制系統(tǒng)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(jié)合便能創(chuàng)造出近乎完美的機器人了—一種更穩(wěn)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(yīng)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(guān)重要。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家欣喜地發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(fù)雜空間，照顧最柔弱的生命體等等。研發(fā)軟體機器人是該領(lǐng)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(shù)相輔相成，打造完美的機器人也就不再遙遠了。