軟體機器人研究發展綜述

劉璟+張益峰+王子又

摘 要：軟體機器人是一類新型仿生連續體機器人， 可以在一定限度內隨意變化形態，在生物工程、救災救援、工業生產、醫療服務、勘探勘測等領域均有廣泛應用。其結構模仿生物的流體靜力骨骼結構，采用形狀記憶合金、化學驅動、氣壓驅動等驅動方式將其他形式能轉化為機械能。但還沒有可以通用的控制算法適用于所有軟體機器人，建模仍是一大難點。綜述了軟體機器人結構機理、驅動方式等問題，并通過分析和梳理軟體機器人的發展歷程，分析了軟體機器人未來的發展方向。

關鍵詞：機器人 建模結構 機理

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0118-02

機器人已廣泛應用于諸多領域，但傳統機器人的結構剛性強，環境適應性差。為克服在狹窄空間內運動受到限制的缺點，科學家們從自然界汲取靈感，創造出遠比那些傳統的金屬制同類更加靈活和多功能的軟體機器人。

軟體機器人的設計靈感來自于廣泛存在在自然界中的各種軟體動物，因其主要材料為柔軟材料，理論上自由度為無窮，并可以在一定限度內隨意變化形態。該文介紹了軟體機器人結構機理、驅動方式、控制方法及攻克難點等問題，并通過分析和梳理軟體機器人的發展歷程，分析了軟體機器人未來的發展方向。

1 研究現狀

軟體機器人是仿生機器人研究的后續，已引起各國的高度重視。

目前典型的軟體機器人有麻省理工學院、哈佛大學所研發的Meshworm機器人，可以使用SMA模擬蚯蚓蠕動并能抵抗強的沖擊[1]；意大利LASCHI等正在研制的仿生章魚；康奈爾大學的集可發光人造皮膚與充氣結構為一體的軟體機器人；弗吉尼亞大學研發的仿生蝠鲼機器魚通過離子交換聚合金屬材料驅動，具有切換不同運動模式的能力。

2 結構機理

2.1 蠕蟲

蠕蟲并不具有剛性骨骼，它的身體主要部分是表皮、肌肉、體液和神經系統。蠕蟲并不通過骨骼傳遞力，而是通過封閉流體產生靜壓力，它的軀體屬于流體靜力骨骼結構。以蚯蚓為例，全身體積的40%為肌肉，它的肌肉屬于斜紋肌，由斜紋肉構成封閉腔，內部充滿體液。而體液限制了體積的變化，所以當肌肉收縮時，會在另一方向上有相應的長度變化，與腸蠕動過程類似。縱肌和環肌通過收縮改變直徑的大小，由此蠕蟲在每個體節間運動肌肉，借由行進波來完成身體的變形和移動。

2.2 頭足類動物

頭足類動物（如章魚、魷魚、墨魚等）具有進行高難度的柔性運動的能力。在一定范圍內，每只觸手都可以隨意彎曲，配合空間改變身體長度[2]。章魚觸手是肌肉性靜水骨骼結構，橫向和軸向肌肉分別控制觸手的伸長和縮短，在行動過程中由沿觸手分布的神經系統進行指令的傳達，中樞神經系統并非主要控制系統，由此可知，身體與環境之間的信息反饋交互會導致相應的自主運動。歐洲的項目進行了仿真章魚的相關研究，由LASCHI負責組織協調[2]。

3 驅動方式

3.1 形狀記憶合金驅動

形狀記憶合金（SMA），其特點是溫度達到一定臨界值時可以使其在較低溫時產生的形變消失。作為一種智能合金材料和柔性驅動器材料，也可應用于智能材料驅動器中，但仍需考慮怎樣將其完美嵌入基礎材料的基底。但是形狀記憶合金絲產生的應力受溫度變化影響較大，它的熱力耦合行為源于材料本身的相變。除了溫度因素，形狀記憶合金中馬氏體的相變也可以正相關地由應力引起。形狀記憶合金致動器一般為絲狀或薄片狀，為增加驅動范圍，可將其變為螺旋結構。

麻省理工學院首先開發出Meshworm[1]，一種仿生蚯蚓機器人，之后研究者開始普遍采用其作為驅動器。Tufts大學實驗室研發的仿生毛蟲機器人GoQBot也由SMA驅動，研究者使用表面微加工技術，在6 μm厚的聚酰亞胺基底上嵌入SMA絲。

3.2 化學驅動

化學驅動是化學驅動機器人名字的由來，化學反應是其本質，使機器人完成動作的機械能來源于化學能。

其中一種化學能驅動的形式是用特殊材料（一般是凝膠）制成軟體機器人，水凝膠是一種智能驅動材料，在柔性機器人中被大量應用。通過物理或化學作用交聯形成三維網絡結構，親水性的功能高分子可以吸水溶脹，從而產生水凝膠，其形變是隨著外部環境的改變而變化的。早稻田大學NAKAMARU實驗室研制了一種仿生尺蠖[3]，其特點是具有蠕蟲的運動模式，原理是將由凝膠制成的弧形帶狀結構置于混合溶液中，基于化學反應凝膠產生伸縮變化，自震動使其運動。

3.3 氣動驅動

氣動軟體機器人是指通過在結構中充氣，利用氣壓使結構產生變形或者運動，從而實現驅動的一類軟體機器人。氣動驅動技術成熟，反應速度較快，功率密度高，但一般驅動設備體積大，受輔助系統的限制。

哈佛大學研制的章魚形柔性機器人Octobot由氣動機構驅動。氣動機構的運作依賴于內嵌的可充氣隔間的擴張，相當于致動器。這些致動器被集成到一個由液體燃料（液體過氧化氫）供能的流體氣動網絡。該燃料通過含有鉑催化劑的反應室，催化劑會使過氧化氫分解，產生氧氣使致動器膨脹，從而使機器人的手臂發生運動。Okayama研究室研發了氣動軟體機器魚。該機器魚的頭部安裝了一塊電子控制模板，腹部安裝了一個二氧化碳儲存罐，機器魚體內則有兩根配置了吸入二氧化碳的噴嘴的充氣管，充氣管的氣體進出可以控制魚的方向，而噴嘴則用來控制魚的游行速度。

4 結語

如今機器人發展的特點可概括為：橫向上，應用面越來越寬。縱向上，機器人的種類會越來越多。而軟體機器人研究雖只是一種簡單的概念，但是有成為人類得力工具的潛力。

盡管軟體機器人的研究尚處于起步階段，仍是一種新的研究方向，跨學科的研究還存在著一系列問題。但未來軟體機器人勢必將綜合更多先進技術，實現高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點，探發其在更多領域應用的潛能。

參考文獻

[1] Seok S，Onal CD，Cho K，et al.Meshworm： a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics，2012，18（5）：1485-1497.

[2] Kang R，Branson DT，Guglielmino E，et al. Dynamic modeling and control of an octopus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2012，64（5）：1004-1016.

[3] Nakamaru S，Maeda S，Hara Y，et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009.