軟體機器人

　1起源

　　科學(xué)家們從自然界汲取靈感，創(chuàng)造出遠比那些傳統(tǒng)的金屬制同類更加靈活和多功能的機器人。

　　美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家們制造了一種新型柔韌機器人，它的身子非常柔軟，可以像蠕蟲一樣依靠蠕動在非常狹窄的空間里活動。這個哈佛大學(xué)科研小組由化學(xué)家喬治懷特塞茲(GeorgeM.Whitesides)率領(lǐng)，他們從魷魚，海星和其它沒有堅硬骨骼的動物身上獲得啟發(fā)，研制了一種小型的，有四條腿的橡皮機器人。

　　最近幾年，科學(xué)家們一直在嘗試和一些黏糊糊的，有時候甚至看上去模樣古怪的機器人設(shè)計概念打交道，他們希望能制造出一種新型機器人，它們將能夠鉆進那些依靠人力或傳統(tǒng)機器人難以企及的地方展開工作，如地震災(zāi)區(qū)救援或者戰(zhàn)場偵察等等。在一份郵件采訪中，美國麻省理工學(xué)院的機器人專家馬修沃爾特(MatthewWalter)說：“這種軟體機器人的柔韌性讓它們能夠得以進入傳統(tǒng)機器人無法抵達的狹小空間。”

　　今年早些時候，一個來自塔夫茨大學(xué)的小組展示了由他們開發(fā)的一種體長僅10厘米的蠕蟲機器人，它采用硅氧橡膠制成，可以爬進一個小球并在里面推動小球向前滾動。

　　而此次哈佛大學(xué)的此項研究是在美國國防部的研究資助項目下進行的，有關(guān)進展本周一在《美國國家科學(xué)院院報》上作了發(fā)表。這個軟體機器人體長約12.7厘米，制造的過程花費了兩個月。其四肢可以各自獨立操控，通過人工或計算機自動控制將壓縮空氣輸入其肢體內(nèi)進行相應(yīng)驅(qū)動。這讓這種新型機器人具備了無法比擬的靈活性，可以自由地在地面爬行或者滑行。

　　研究人員對它進行了柔韌性測試：他們將一塊玻璃板置于距離地面不到1.9厘米的高度，并讓這個小機器人嘗試爬進底下。結(jié)果科學(xué)家們成功地控制這個機器人15次來回穿過了這個極其狹小的縫隙。并且在大多數(shù)情況下，它穿過整個玻璃板底部所花費的時間還不到1分鐘。

　　研究人員計劃進一步對其速度性能進行改進，不過他們對它沒有因為不斷發(fā)生的熱脹冷縮而損壞感到欣慰。哈佛大學(xué)的博士后羅伯特謝普赫德(RobertShepherd)說：“它足夠堅強。”他指出這種機器人可以適應(yīng)各種表面材料并在上面正常運行，包括毛氈，沙礫，泥漿，甚至果凍。不過它也有缺陷：目前機器人必須依靠一條外接電源線供電，科學(xué)家們希望找到一種方法能夠?qū)崿F(xiàn)電源內(nèi)置，如此方能讓它投入實際應(yīng)用之中。

　　塔夫茨大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家巴里特里莫(BarryTrimmer)是該大學(xué)蠕蟲機器人項目團隊成員，他說：“在軟體機器人領(lǐng)域還有很多挑戰(zhàn)需要面對，對于這些問題的解決沒有捷徑可走。”

　　機器人專家卡莫馬吉迪(CarmelMajidi)在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)軟體機械實驗室，他認(rèn)為盡管這一成果是基于之前的研究基礎(chǔ)，但是仍然極具創(chuàng)新。他說：“這是一種簡單的概念，但是看起來他們似乎很好的模擬了自然界的生物運動模式。”

　2簡介

　　軟體充氣機器人模型并不像機械機器人那樣先進，但是它們的柔軟身體中不包含任何電子裝置。充氣柔體機器人設(shè)計方是美國國防部高級研究計劃署(DARPA)的科學(xué)家，他們認(rèn)為這種軟體機器人將是最好的工具。

　　美國波士頓大學(xué)化學(xué)家陳新(音譯)是該研究小組成員之一，他在2012年2月9日出版的《高級功能材料報》中描述稱，如果你想穿過一個彎曲的管子或者碎石，以及其他難以抵達的粗糙崎嶇環(huán)境表面，你將需要軟體機器人。這款機器人能夠完成許多傳統(tǒng)機械機器人所無法實現(xiàn)的功能，抵達一些特殊的環(huán)境。

　　傳統(tǒng)主流機器人是采用金屬和其他硬質(zhì)材料制造，裝載連接電子儀器和元件。它們可以制造汽車、攜帶較重的物體裝置，甚至拆卸炸彈。然而，在一些特殊環(huán)境中，機器人的柔體結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。

　　原理

　　制造軟體機器人使用的是懷特賽德斯團隊發(fā)明的軟光刻技術(shù)。其生產(chǎn)過程

　　軟體機器人模具

　　是：借助電子元件讓光照射模具的表面，致使覆蓋在圖案上一層薄薄的高分子膜曝光，以此溶解沒有圖案的區(qū)域。懷特賽德斯說：“這是一個非常成功的技術(shù)，它具有很高的分辨率，相當(dāng)小巧，但在批量化生產(chǎn)之前成本比較昂貴。”[1]軟光刻技術(shù)是以柔軟聚合物模具為載體，這是一個相對比較簡單的制造過程。懷特賽德斯說：“我們可以使用平整的表面進行投射或輸出，也可以封住凹面以形成通道。”借助微流體技術(shù)作用于通道，從注入空氣到產(chǎn)生運動，懷特賽德斯團隊的設(shè)計概念得到來提升：“考慮到通道的結(jié)構(gòu)和空氣泵，這意味著它的彎曲可以成為軟體機器人的一個特性。”

　　設(shè)計

　　工程師現(xiàn)在從自然角度來考慮設(shè)計機器人，例如：基于昆蟲、鳥類、蛇、魚，甚至狗的特征，來設(shè)計機器人模型?？茖W(xué)家已成功研制出空氣動力橡膠機器人，遇到障礙物時能夠像蛇一樣伸縮起伏身體。

　　從軟體機器人的四肢、軀干以及內(nèi)部格局來看，看似有點像一朵簡化的雪

　　軟體機器人“脊梁管

　　花，其中央“脊梁管”連接任意一個通道（分支）；機器人有兩層聚合物，一層延伸甚廣，一層堅不可摧。當(dāng)空氣注入四肢后，具有彈性的腔體會像氣球一樣擴張，但腔體材料卻不舒展且四肢蜷縮。當(dāng)彎曲時，借助肢體與周圍摩擦力作用產(chǎn)生的橫向推力，整個身體可以不斷向前推進（在肢體驅(qū)動下，機器人可以爬行）。[1]懷特賽德斯說：“這不是一個煞費苦心的概念，但實現(xiàn)這種運動是很不尋常的。在這些看似（四肢）很簡單的驅(qū)動下，從中你會看到非常有趣的運動。”他指出，雖然這種機器人的運動和構(gòu)造確實很像海星似的軟體動物，但目的是模仿它的功能，而不是其機制。

　　材料

　　這種新型柔體機器人可采用合成紙質(zhì)材料、纖維織物和金屬絲增強結(jié)構(gòu)，具有硅膠外形。當(dāng)它們模塑成型之后，該機器人與復(fù)雜的壓縮氣體源進行連接，例如：空氣注射泵。

　3功能

　　軟體機器人具有一些特殊的折疊效果，使用正確的方法可以折疊，在適當(dāng)?shù)牡攸c粘合。

　　研究小組還使用汽缸來抽吸空氣至球體、管狀結(jié)構(gòu)，來作為“剛硬”管材。未來研究人員希望在軟體機器人的基礎(chǔ)上增加配線和電子組件，從而使它更具功能性。