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“以柔克刚”,软体机器人了解一下

摘要: 从目前来看,软体机器人的落地商业场景主要是医疗和军用场景。

试想一下,如果让“软软的机器人”为病人做手术是一种怎样的感受呢?如今,在超微创手术领域,软体机器人(又称柔软机器人)已经开始发挥自己的作用了。

目前,美国哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员合作开发出一种软体机械装置,可在不与血液接触的情况下帮助心脏跳动泵血。这种可定制的柔性设备,或催生出新的心力衰竭治疗方案,对于心衰患者来说是一个福音。

软体机器人的商用化无疑改变着人们对于机器人的传统认知,从一如钢铁模样的“壮汉”到柔软如初的“萌妹子”,软体机器人让机器人市场更加丰富多元。

“硬”还是“软”,这是一个问题


工业流水线上的机器人、扫地机器人、烹饪机器人,这些机器人在人们的印象中,都是机械化、缺少人体肢体动作的灵活性等基本印象,他们太“硬”了,这也是为了适应自身的驱动方式。目前,主流机器人都是机械驱动的,以电动机为动力源,通过电动机的转动,把能量输送给齿轮和连杆,然后齿轮和连杆带动机器人运动。

用电动机、齿轮和连杆驱动机器人,其首先需要承受得住各种驱动连杆带来的外力,因此他们需要十分硬实的基础结构。如果利用连杆驱动的机器人是软体的,齿轮一转, 连杆一摇,它立即就会被绞变形。对于软体机器人来说,其一般难以承受连杆传输的机械动力,因而含有电动机、齿轮、连杆的机器人,大都是些钢铁机械构件。

因此,机械驱动机器人更多完成较为机械简单的任务,难以完成精细任务。比如连杆驱动的机器人能夹起杯子,却难握住杯子,让它握住一枚绣花针就更难了。

“夹”与“握”有着本质性的区别,“夹“是低级的机械动作,“握”是具有人手功能的精细动作,从夹到握其实是普通机器人到软体机器人的技术跨越。

软体机器人模仿于自然界的许多软体动物,由可以承受大应变的柔软材料制成,且具有多自由度和连续变换的能力,可在大范围内任意改变自己身形和尺寸。因为主动变形与被动变形能力的结合,机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙,进入传统机器人无法进入的空间。

软/硬机器人比较

 “七十二变”如何以柔克刚


软体机器人发展至今,主要的结构类型可以分为三类:静水骨骼型、肌肉型静水骨骼型以及其他结构。

大部分软体动物(如蠕虫、海葵)没有刚性骨骼,而是由表皮、肌肉、体液、神经系统组成。其典型结构是肌肉构成封闭腔,内部充满体液,形成静水骨骼结构,典型的是仿毛虫软体机器人和Blob bot。

仿毛虫软体机器人及Blob bot

典型的肌肉性静水骨骼结构由相互对抗的横肌和纵肌组成,当横肌收缩时身体向纵向伸展;当纵肌收缩时,身体向横向伸展,体积始终保持不变。动物的舌头、大象鼻子、章鱼触手都是肌肉性静水骨骼结构。而其他结构主要为气动运动链和蠕动跳跃机器人。

在具体应用层面,由哈佛大学研制的名为“Octobot”的软体机器人,自带运动燃料,可通过调控内部气体实现自主运动,既不需要连接计算机获取指令,也不包含任何电子元件,因而具有着柔软的身体。

世界首个自主运动的软体机器人:Octobot

与普通机器人相比,软体机器人可通过内部化学物质实现颜色可变发光,并可通过充气增压和通道膨胀实现快速移动。当前的研究情况表明,软体机器人可在 30 秒内迅速变身,一旦完成颜色转换, 颜色层就不再需要动力来维持色彩,移动到特定位置后常常与背景难以区分,形成真正的“七十二变”。同时,一些软体机器人在设计之初就巧妙参照了仿生模型外观,利用3D打印工艺制造能够“以假乱真“,肉眼难以分辨。

医疗军事领域称软体机器人“发力点”


从目前来看,软体机器人的落地商业场景主要是医疗和军用场景。智能相对论分析师柯鸣认为,目前软体机器人的发展前景是相当可期的,学术界也正在如火如荼的进行着此类研究,科学家们试图创造一种不同于传统机器人的新型机器人整体。

从军事应用场景来看,软体机器人确实大有发展空间。“以柔克刚”的自身体质可以让机器人在收到外界冲击和破坏时不易受损,这极大的增强了软体机器人的存活能力。此外,由于不具备电子元件,软体机器人在电磁侦察系统下容易躲避各类设备的追踪。未来,加装了特定武器的软体机器人,可以更便利地承担各类侦查任务,甚至可以在特定条件下给敌人以致命一击。

在医疗领域,“人小鬼大”的软机器人还可以成为医生的优秀医疗助手。软体自己人的硬度与柔软度与人类皮肤和肌肉较为接近,因此可穿戴性和皮肤亲和性较好。因此,作为假肢、人造外骨骼等可穿戴设备或用于模拟肌肉运动,软机器人似乎成了一个最为优秀的人选。

在微创手术(MIS)领域,软体机器人更是有着极大的“用武之地”。软体机器人的应用,可以突破传统微创外科手术方法的局限,比如,自由度低的手术设备对手术造成的局限。伦敦大学研制出刚度可控的章鱼状外科手术机器人手臂,其应用仿生原理,根据手臂机械性能的需要通过控制机械手臂的刚度更好地配合手术进行,柔软的材质将手术的伤害降到最低。

刚度可控的章鱼状微创外科手术机器人手臂

进入市场,软体机器人的壁垒在哪里?


诚然,软体机器人作为新事物,其发展后劲十足,但是智能相对论分析师柯鸣认为,综合其市场化过程来看,其依然有着自身的壁垒。

首先,理论上,软体机器人可以实现无限自由度的运动,然而在实际操作过程中,这种相对于传统机器人的优势受限于驱动方式和制动器数量,想要精确控制机器人的运动,这需要大量的传感器的信息和数据反馈,这在实际应用过程中难以保证其实时性。

其次,软体机器人医疗、军事、养老以及勘测领域都有着重要作用和良好发展前景,但是其高昂的应用成本和生产成本极大限制了此类新技术的普及。为了实现商业上的可行性和实际生产生活中的应用,软体机器人在其技术普及性和技术价格方面做出努力。

最后,可自带燃料运动的软体机器人“八爪怪”,主要依靠体内携带的双氧水燃料进行供能,而一次携带的能量只能勉强支撑 4~8 分钟的运动。同时,现有的软体机器人自主转向能力几乎为零,急需加装额外传感器实现对障碍物的自动规避,这又涉及整个软体机器人控制系统的优化设计。

当然,从目前来看,软体机器人的设计方法还不成熟,如何平衡灵活性、承载能力和可靠性等指标还存在困难。为进行优化设计,需要建立精确的物理模型,而建立此模型又是一个具有挑战性工作。

总之,软体机器人在我国制造业水平不断提升的当下,其也正准备迎来快速增长期,其也极有可能成为中国下一个经济增长点,随着软体机器人在商业及各行业的落地,中国的软机器人行业将大有可为。(本文首发钛媒体)

【钛媒体作者:智能相对论(微信id:aixdlun), 文/ 柯鸣】

 

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本文系作者 智能相对论 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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智能相对论(微信id:aixdlun):深挖人工智能这口井,评出咸淡,讲出黑白,道出深浅。重点关注领域:AI+医疗、机器人、智能驾驶、AI+硬件、物联网、AI+金融、AI+安全、AR/VR、开发者以及芯片、算法、人机交互等。

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