軟體機(jī)器人是目前科學(xué)界一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但它們已經(jīng)有了自己的代言人——《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中的大白。相比于剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人理論上具有無(wú)限多自由度，有著靈活彎曲、扭轉(zhuǎn)，能更好地適應(yīng)各種環(huán)境，成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而擁有巨大的市場(chǎng)空間。
目前，世界上已形成幾類軟體機(jī)器人研發(fā)：例如氣動(dòng)式軟體機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)抓握或爬行；還有形狀記憶的材料制成的機(jī)器人，通過溫度或者光照變化產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，此外，科學(xué)家還在進(jìn)行肌肉細(xì)胞作為軟體機(jī)器人材料的方法，其中一部分已走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)“軟體機(jī)器人”的研究已成為機(jī)器人源頭技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。
就在前不久，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究者開發(fā)了幾類軟體機(jī)器人設(shè)備，這些軟體機(jī)器人的成功源自于其控制領(lǐng)域的重大進(jìn)展。其中一項(xiàng)新技術(shù)使用磁場(chǎng)來(lái)遠(yuǎn)程操控軟聚合物中的微粒鏈。
“通過將這些自組裝鏈嵌入軟體機(jī)器人，我們可以讓其在保有相對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的同時(shí)還可以進(jìn)行復(fù)雜的活動(dòng)任務(wù)。”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Joe Tracy 說道，“從遠(yuǎn)程觸發(fā)藥物輸送泵到遠(yuǎn)程可展開結(jié)構(gòu)的發(fā)展都是這些設(shè)備的可能應(yīng)用場(chǎng)景。”
通過使用這項(xiàng)技術(shù)，研究者開發(fā)了三款軟體機(jī)器人。其中一個(gè)是條懸臂，它可以提起最大超過自身 50 倍重量的物體。另一個(gè)是個(gè)手風(fēng)琴狀，模仿肌肉的可伸縮設(shè)備。第三個(gè)是管狀設(shè)備，其設(shè)計(jì)目的是可以當(dāng)做可蠕動(dòng)泵：一個(gè)沿管子長(zhǎng)度移動(dòng)的扁長(zhǎng)區(qū)域，這很像一個(gè)人沿著牙膏管道擠出其最后一點(diǎn)牙膏。
可以說全球范圍內(nèi)，關(guān)于軟體機(jī)器人的研究都在火熱進(jìn)行著，國(guó)內(nèi)亦是如此。4月5日，浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的一條“魚”出現(xiàn)在著名大眾科學(xué)雜志《新科學(xué)家》上：全身柔軟無(wú)骨，能以每秒6厘米的速度不動(dòng)聲色地暢游3小時(shí)，速度達(dá)到世界同類軟體機(jī)器人最快。
據(jù)介紹，這條機(jī)器魚身長(zhǎng)9.3厘米，體重90克，外形酷似蝠鲼(鰩魚的一種，人稱“魔鬼魚”)，比一枚雞蛋略重，將它投到魚缸中，它就如真魚附體，撲扇著“兩翼”劃水前進(jìn)。
實(shí)際上，這條魚是有電子肌肉的。這一層薄薄的 “電子肌肉”，實(shí)際上由三層材料組成：上下兩層是透明的介電高彈體薄膜，中間是導(dǎo)電用的碳膏或水凝膠；三層材料緊密地粘合在一起，就像北京著名小吃“茯苓餅”。如果給它兩極通上交流電，它已經(jīng)可以像心臟一樣地“跳”動(dòng)了。
“電子肌肉在電刺激的作用下可以快速的響應(yīng)，所以我們的這個(gè)撲動(dòng)的頻率可以比較高，游動(dòng)的速度比較快。”浙大航空航天學(xué)院李鐵風(fēng)說，“此外，‘魚’在水中，包裹它身體的水就是產(chǎn)生電壓的負(fù)極，這也是我們?cè)O(shè)計(jì)中一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。”
值得一提的是，浙大造機(jī)器魚渾身的材料都是工業(yè)級(jí)的材料，在國(guó)內(nèi)有巨大的產(chǎn)量和化工工業(yè)基礎(chǔ)，造價(jià)低廉，并且對(duì)環(huán)境友好。這也是課題組努力的目標(biāo)，除了省電、還要省錢、環(huán)保，適合工業(yè)級(jí)的生產(chǎn)制造。“我們希望將來(lái)制作機(jī)器魚能像制造我們的橡膠鞋底一樣簡(jiǎn)單，在模具中一沖便能成型。”李鐵風(fēng)說。
想要和人類更接近需要研發(fā)軟體機(jī)器人
大多數(shù)機(jī)器人是用鋼鐵做成的，但是人的百分之八十五都是非常軟性的東西，所以從本質(zhì)上人是非常柔性和軟性的。而人類之所以有這么強(qiáng)的傳感能力就是因?yàn)榇蠖鄶?shù)都是用軟性的材料，如果要打造這種和人類比較接近的機(jī)器人就必須要用這種軟性的材料。舉個(gè)例子，如果人類想要握住一個(gè)硬的東西，抓住一個(gè)玻璃杯的話你的手指會(huì)隨著它的組織適應(yīng)它的形狀。如果我們?cè)谑种干戏乓恍┯驳臇|西可能就抓不住這個(gè)玻璃杯了，所以還是涉及到用什么材料的問題，軟性材料要測(cè)試的話還是要對(duì)這個(gè)物體進(jìn)行抓、捏和推，肯定也希望像人一樣抓取這些東西，這些都需要軟性材料的使用。
圖：Rolf Pfeifer演示軟體材料的優(yōu)勢(shì)——手握玻璃杯
軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和材料是非線性的，且擁有多自由度，這導(dǎo)致了機(jī)器人的動(dòng)作任務(wù)比剛性機(jī)器人更加復(fù)雜，這對(duì)算法和控制系統(tǒng)的要求非常高。舉個(gè)Octobot 章魚軟體機(jī)器人的例子，Octobot由硅橡膠制成，其控制系統(tǒng)是一款柔性微流體芯片，內(nèi)部的閥門和開關(guān)由壓力激活，引導(dǎo)液態(tài)燃料流過“身體”，從而控制8只“爪子”的動(dòng)作。Octobot的身體便是3D打印而成，研究人員將硅橡膠傾倒入一個(gè)章魚形狀的模具中，接著用3D打印機(jī)朝其中注入特殊墨水，隨后通過加熱來(lái)矯正其結(jié)構(gòu)，并使墨水蒸發(fā)。在機(jī)器人的爪子內(nèi)部留下一個(gè)中空的網(wǎng)絡(luò)并同大腦相連，機(jī)器人的“大腦”通過這個(gè)中空管道同爪子“交談”。
圖：Octobot 章魚軟體機(jī)器人
軟體機(jī)器人能完成各種特殊的任務(wù)，例如爬陡坡、鉆進(jìn)極其狹小的空間，比剛性機(jī)器人更靈活能完成更多的任務(wù)。除此之外，它可以更好適應(yīng)各種環(huán)境，受到外界沖擊后也不會(huì)產(chǎn)生大的傷害，在空間狹小、非結(jié)構(gòu)下的環(huán)境下都可以完成復(fù)雜的任務(wù)，例如醫(yī)療、軍事及探測(cè)領(lǐng)域。另外，其材料可以用3D打印等方式來(lái)生產(chǎn)，成本也比剛性機(jī)器人要低得多。對(duì)未來(lái)量產(chǎn)機(jī)器人也有重要的意義。
軟體機(jī)器人面臨的技術(shù)性挑戰(zhàn)：跨鄰域?qū)W科開發(fā)協(xié)同
軟體機(jī)器人首要面臨的挑戰(zhàn)就是材料學(xué)，要進(jìn)行軟體機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)就需要不斷地開發(fā)新的材料。目前我們看到的機(jī)器人基本上都是硬質(zhì)材料的，比如金屬、塑料等，這些材料的發(fā)展與應(yīng)用都已經(jīng)相對(duì)成熟了，而我們現(xiàn)在研究的軟體機(jī)器人的材料還是有著巨大的發(fā)展空間的。到目前為止，大多數(shù)在機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域有建樹的科學(xué)家都來(lái)自機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科背景，還沒有太多材料科學(xué)、生物科學(xué)的專家參與到這個(gè)領(lǐng)域中來(lái)，因此我們下一步主要面臨的難題就是如何推動(dòng)跨學(xué)科的綜合背景的科學(xué)家的加入，讓有材料科學(xué)、生物科學(xué)在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。等到材料科學(xué)和生物科學(xué)這種跨領(lǐng)域的學(xué)科、技術(shù)與機(jī)器人的開發(fā)協(xié)同起來(lái)的時(shí)候，才能夠真正的推動(dòng)以人為中心的機(jī)器人的開發(fā)。
除了研發(fā)上的難點(diǎn)，社會(huì)學(xué)、心理學(xué)上也有挑戰(zhàn)。人會(huì)喜歡和他比較接近的東西，比如說一些娃娃會(huì)做的比較仿真，但是心理學(xué)上有研究，當(dāng)“仿真”達(dá)到一個(gè)臨界值的時(shí)候，人會(huì)對(duì)和他很像的東西感到恐懼。軟體機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的硬質(zhì)機(jī)器人，會(huì)更像人，對(duì)此產(chǎn)生的可能的不適應(yīng)也需要相關(guān)的研究。
軟體機(jī)器人會(huì)有更自然的人機(jī)交互體驗(yàn)
Pfeifer教授現(xiàn)在成立了一個(gè)工廠叫做“Living With Robots”，這些機(jī)器人將來(lái)可以做服務(wù)員給大家發(fā)一些飲料，也會(huì)裝很多的傳感器，人們?cè)谖磥?lái)和機(jī)器人互動(dòng)也會(huì)更加自然。第一個(gè)產(chǎn)品可能是做一個(gè)吧臺(tái)的服務(wù)員，我們這里用到的技術(shù)包括軟性的機(jī)器人技術(shù)，可以充分利用各種材料簡(jiǎn)化這種中央控制的功能。第二個(gè)產(chǎn)品就是要解放它，也就是說要讓機(jī)器人能夠從過去的限制當(dāng)中走出來(lái)，比如在吧臺(tái)工作的話中間可以走動(dòng)的地方就非常的窄，其實(shí)就不需要過多地走動(dòng)，只需要熟悉那一點(diǎn)地方就可以了。
