模仿獵豹的軟體機器人

李赫

7 cm長，45 g重，上能陡坡奔跑，下能水中游泳，能跑能跳還能舉重物……而它，只是個長得像軟糖的軟體機器人。其最為霸氣的一面，或許是它的模仿原型———獵豹，沒錯，就是追“急支糖漿”的那只動物，但它也是陸地上奔跑速度最快的生物。

由于軟材料本身的局限性，難以快速存儲或釋放大量機械能，一般軟體機器人的運動速度和操作強度也會受限。不過，小獵豹之所以為小獵豹，就在于它與一般軟體機器人不同。

受獵豹高速奔跑過程中脊柱活動機制的啟發，研究人員將基于雙穩態脊柱的混合軟致動器用于軟體機器人的設計中，通過可逆的貫通雙穩態實現類似的脊柱屈曲和伸展。由此，小獵豹不僅能進行高速運動，在高強度物體操縱中也能夠得心應手。

研究論文現發表于Science Advance，題為“Leveraging

elastic instabilities for amplified performance： Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”。文章指出，小獵豹約7 cm長，重達45 g，主要由2部分組成：彈簧驅動的雙穩態結構（作為骨骼脊柱）、2個軟性氣動彎曲致動器（作為骨骼肌）。

想象一下獵豹奔跑時的體態，脊背彎曲，四肢伸展騰空，落地時四肢收縮交錯蹬地。既然是以獵豹為原型，小獵豹也是這么跑起來的，如圖：

小獵豹能夠利用軟性氣動彎曲致動器在2個穩定狀態之間實現快速，可切換彈性突跳。

前面提到，一般的軟體機器難以儲存和釋放機械能，由此研究人員在設計小獵豹時加入了線性彈簧，連接小獵豹的骨骼脊柱，通過彈簧預緊力或者調整彈簧的剛度實現能量儲存。在小獵豹的結構設計中，彈簧起到了放大器的作用，不僅提高了速度和作用力，還提升彈性的調節空間。這樣的設計，研究人員稱其為雙穩態混合軟致動器設計。

從表現來看，小獵豹在奔跑時，其骨骼脊柱會上下彎曲，四肢在收縮和伸展之間變換，在騰空或觸底時，脊柱伸展至極限，其軟性氣動彎曲致動器和彈簧處的能量會處于低點，這便是雙穩態。

值得注意的是，小獵豹尚未能主動制動，而需要連接氣管充氣，通過空氣泵交替彈開，讓小獵豹在正弓蹬地和反弓騰空之間變換躍進。

獵豹是陸地上奔跑速度最快的生物，其速度最高可達29 m / s，那么這個模仿獵豹的7 cm迷你小獵豹機器人在實際運動中的表現如何？

機器雖迷你，但不得小覷

研究指出，小獵豹機器人在3 Hz左右的低驅動頻率下，其速度可達每秒2.7個體長，約18.75 cm/s。和獵豹的風采比起來，小獵豹看起來好像不是很厲害的樣子。

但要知道，小獵豹是軟體機器人，與獵豹不是同一對象類型，因此將二者進行對比無實質意義，正確的對比對象應為其它軟體機器人。

對比以往的軟體機器人，其最快速度僅有每秒0.8個體長，而小獵豹的速度是其3倍多。不僅如此，以往的軟體機器人只能在地面上爬行，而小獵豹不僅能上坡，還能下水，甚至在物品抓取方面，也是“尖子生”。

在爬坡測試實驗中，研究人員將小獵豹與另外2種軟體機器人放置于在傾斜角為17°的坡面。結果顯示，僅有小獵豹能夠快速上坡，另外2個軟體機器人均顯得十分吃力，且上坡失敗。

在入水試驗中，研究人員將小獵豹的軟性彎曲致動器重新封裝，以適用于水下運動。改良后的小獵豹長度約150 mm，質量為51 g，其中彎曲致動器的長度為45 mm。

實驗結果顯示，小獵豹在水中的行進速度可達11.7 cm / s，比另外2個軟體機器人分別快32%和122%。

在抓取作業中，小獵豹軟體機器人不僅能夠抓取雞蛋這種易碎物品，11.4 kg的重物也不在話下。至于能夠抓取多重的物體，主要還是取決于彈簧，彈簧剛度越高，其抓取能力越強。

不過，對軟體機器人而言，抓取易碎物品的要求比抓取重物更高。首先，在物品抓取時要足夠輕，其抓手在柔軟之余還要具備抓力；另外，在移動的時候，彈簧要始終保持在不活動狀態。正所謂，拿也輕輕，放也輕輕。

軟體機器人任重道遠

對比剛性機器人，軟體機器人的發展較為滯后，對比已經在巡邏、配送和教育等場景中走向應用的剛性機器人，軟體機器人目前尚處于產出學術成果的階段。

香港科技大學機器人研究院院長王煜曾在世界機器人大會上表示，軟體機器人發展面臨著三大關鍵問題———機械運動原理、剛性結構、驅動和反饋。

同時，他補充稱，軟體機器人越來越多，小問題都有多多少少的進展，慢慢地這些成功的案例和經驗能夠融合在一起，使得軟體機器人在理論上有所發展；模仿獵豹的軟體機器人便是理論研究發展之一。

盡管只是一個小小的進步，但任何質變的產生，不都是量變的結果嗎？