王海濤 彭熙鳳 林本末

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

隨著科技的發(fā)展，機器人已經(jīng)廣泛運用于醫(yī)療、救援、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多種領(lǐng)域。大多數(shù)傳統(tǒng)的機器人是由硬質(zhì)材料制成的，輸出力量大、速度快和精度高，但傳統(tǒng)機器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，使其不能穿過狹窄的空間，也不能適應(yīng)形狀復(fù)雜的通道[1- 2]。由于傳統(tǒng)機器人的一些缺點不能滿足人類的需求，促使越來越多的研究人員開發(fā)軟體機器人，并取得了巨大的進步。軟體機器人主體材料采用變形較大的柔性材料制成，可實現(xiàn)連續(xù)變形，并任意改變自身的尺寸和形狀[1- 2]。柔性材料的使用使得軟體機器人的質(zhì)量比傳統(tǒng)機器人輕，并能夠安全地與人協(xié)作，還具有自主適應(yīng)不同形狀的能力[3]。同時，軟體機器人的發(fā)展也面臨著一系列的困難和挑戰(zhàn)，新的軟體結(jié)構(gòu)對材料和傳感技術(shù)的要求越來越高，現(xiàn)有的材料并不能完全滿足所要實現(xiàn)的功能，如何使材料擁有高度的柔順性和較高的剛度，依然是一個亟待解決的問題。傳統(tǒng)的傳感器由于軟體機器人高度的柔順性也無法得到良好的應(yīng)用，所以具有高伸展性能和彎曲性能的新型傳感器還有待于開發(fā)。

軟體機器人的設(shè)計靈感大多數(shù)來自于自然界的生物，特別是軟體動物的“肌肉性靜水骨骼”生理結(jié)構(gòu)[4]，成為眾多研究人員的仿生熱點，例如德國Festo公司的仿象鼻機械臂BionicSoftArm[5]，F(xiàn)esto公司在研發(fā)仿生機器人領(lǐng)域有十幾年的經(jīng)驗，并取得了一系列的成就，其中BionicSoftArm和BionicSoftHand是2019年最新的研究成果。文中將依據(jù)近年來軟體機器人的發(fā)展，從制作材料、制作方法、驅(qū)動方式、應(yīng)用領(lǐng)域等方面對軟體機器人的研究現(xiàn)狀展開論述，探討在軟體機器人技術(shù)研究中存在的問題和面臨的困難。

1 制作材料

大多數(shù)軟體機器人都是由柔軟的材料制作的，由于軟材料有比較大的拉伸率，使軟體機器人能夠靈活運動，具有多個自由度。高彈性體、塑料、顆粒、智能金屬和織物等都可以用來制作軟體機器人。目前，研究人員也相繼研發(fā)了一些新的材料，為制作軟體機器人提供了更多可能。

1.1 現(xiàn)有材料

目前制作軟體機器人的材料主要包括高彈性體、塑料、顆粒和織物，其中具有高彈性的硅膠是制作軟體機器人使用最多的材料。市面上所售的硅膠種類繁多，德國Waker公司和美國Smooth-on公司生產(chǎn)的硅膠材料是在軟體機器人領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。

Faudzi等[6]利用氣動人工肌肉研發(fā)了仿象鼻系列機器人OctArm，氣動人工肌肉是由一種高彈性體材料和外部織物護套組成的驅(qū)動器，它的伸縮和彎曲運動都是通過改變織物的編織方向?qū)崿F(xiàn)的。第四代OctArmIV的末端執(zhí)行器可以提供最大890 N的縱向負載和250 N的橫向負載[7]，如圖1(a)所示。Polygerinos等[8]制作了一款可以輔助人類手部康復(fù)的軟充氣手套，模仿了手指的彎曲功能，如圖1(b)所示。手套的主體材料為硅橡膠，是德國Waker公司生產(chǎn)的Elastosil M4601 A/B型硅橡膠[9]，這種硅橡膠是一種超彈性材料，當材料受到拉力時可以伸長至它們原長度的數(shù)倍，當拉力解除后可以自行回彈到原來的形狀，經(jīng)實驗測定其斷裂伸長率為700%。Larson等[10]提出了一種高彈性電致發(fā)光皮膚(HLEC)，它能在主動發(fā)光的同時進行大的單軸拉伸和表面積變化。HLEC有5層結(jié)構(gòu)，約1 mm厚的電致發(fā)光層(ZnS-Ecoflex 00-30)，夾在兩個PAM-LiCl水凝膠電極之間并封裝在Ecoflex 00-30中。Ecoflex 00-30[11]是美國Smooth-on公司生產(chǎn)的彈性材料，是用鉑催化的有機硅，使用時，有機硅和鉑催化劑按質(zhì)量或體積比1∶1混合，可在室溫下固化。他們將這種皮膚運用在氣動軟體機器人上，向機器人底部兩層注入壓縮氣體后能實現(xiàn)機器人的爬行運動，并且在爬行過程中能自主發(fā)光，如圖1(c)所示。Hawkes等[12]利用壓力驅(qū)動倒置容器外翻的原理，使用聚乙烯薄膜模仿藤蔓的生長制作了一款伸長型的機器人。在沒有主動控制的情況下，軟體機器人可以在各種復(fù)雜環(huán)境中伸長，既可以穿過狹窄的空間和繞過障礙物，還可以伸長成特定的三維結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示。Brown等[13]制作了一款由研磨咖啡和乳膠外皮做成的通用顆粒夾具，該夾具可以被動地符合目標物體的形狀，然后真空硬化，剛性地抓住物體，稍后使用正壓力釋放物體并返回到原始可變形狀態(tài)。這款通用夾具無需主動反饋，但必須抓住物體表面的一部分才能牢牢抓起物體(見圖1(e))。Kandhari等[14]提出了一種基于織物的蠕蟲狀機器人MiniFabricWorm，其結(jié)構(gòu)中不包括任何的剛性部件，使用尼龍管做成菱形網(wǎng)格形狀，并整合到織物中，使結(jié)構(gòu)具有柔順的蠕蟲形狀，當被驅(qū)動時，可以模仿蠕蟲般的蠕動運動(見圖1(f))?？椢锟梢怨潭ňW(wǎng)狀物，使其在運動期間保持其形狀。此外，可通過拉伸織物提供恢復(fù)力，從而不需要添加恢復(fù)彈簧。

圖1 不同材料制作的軟體機器人Fig.1 Soft robots with different materials

1.2 新材料

為了制作性能更優(yōu)越的軟體機器人，研究人員對現(xiàn)有材料進行改進或開發(fā)新型水凝膠材料，新型材料的引入，最終帶來了軟體機器人新的部件和功能。Miriyev等[15]利用乙醇與硅氧烷彈性體制備了一種柔軟的材料(由于兩者的充分混合，乙醇液體分布在彈性體基質(zhì)中的微泡內(nèi)，當材料受熱時，液態(tài)乙醇隨著溫度的升高而蒸發(fā)，在微泡內(nèi)產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致彈性體基質(zhì)膨脹，如圖2(a)所示)，并證明了這種材料可以在一系列機器人應(yīng)用中用作致動器。由于軟體系統(tǒng)對損傷的易感性，使用自愈材料構(gòu)建機器人變得非常重要。Valentin等[16]開發(fā)了一種新型水凝膠材料，如圖2(b)所示，具有刺激響應(yīng)性和自粘性的水凝膠構(gòu)建塊，可以簡單地“自己動手”構(gòu)造軟體機器人和微流體裝置?！凹床寮从谩彼z部件能夠模擬生命系統(tǒng)中的驅(qū)動、傳感和流體輸送，并能在中等陽離子的作用下允許水凝膠表面之間強烈的自粘附。Park等[17]利用機器人卷曲或扭曲時發(fā)生分子變化的現(xiàn)象，在機器人的材料中加入了變色化合物，這些化合物在拉伸時會被激活，如圖2(c)所示。這樣做是為了創(chuàng)造一個能夠在移動時隱藏自身的機器人，并且因為在材料應(yīng)變最高的地方顏色變化最強烈，它可有助于指出機器人易受破壞的位置，還可以通過添加其他化合物來釋放藥物分子，使機器人發(fā)光或在材料破裂時修復(fù)材料。Cangialosi等[18]制造了由DNA觸發(fā)的變形水凝膠材料，如圖2(d)所示，探討了水凝膠材料如何響應(yīng)具有不同終止信息的DNA序列，進而變成不同的形狀?？勺冃蔚乃z材料能響應(yīng)外界刺激產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等動作，這種特性對軟體機器人、可編程物質(zhì)和智能醫(yī)療至關(guān)重要。

圖2 幾種柔軟的新材料Fig.2 Several new soft materials

軟體機器人的發(fā)展將需要研究新的多功能材料，自愈材料的應(yīng)用將提高系統(tǒng)的魯棒性，使其適用于嚴酷和不可預(yù)測的環(huán)境，有些軟體機器人的制作需要快速調(diào)整材料的剛性能力，以便在軟/順應(yīng)狀態(tài)和硬/承載狀態(tài)之間實現(xiàn)快速、可逆的切換，“剛?cè)岵辈牧系难邪l(fā)也是需要攻克的難題。

2 制作方法

軟體機器人本體的制作方法主要包括3D打印技術(shù)、鑄造法、軟光刻技術(shù)、激光雕刻、沉積工藝等。隨著3D打印機的發(fā)展，各種功能的打印機被開發(fā)出來，其中一些打印機可用于直接打印軟執(zhí)行器。

Peele等[19]開發(fā)了一種用于數(shù)字掩模投影立體光刻(DMP-SL)的低成本系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用數(shù)字反射鏡設(shè)備照亮，并選擇“自底向上”的過程，通過一個透明托盤的底部一次性完成整層樹脂的光聚合。其后該團隊利用DMP-SL制造了具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的軟致動器，DMP-SL實驗裝置如圖3所示。Yirmibesoglu等[20]提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印軟體機器人的擠出機構(gòu)，采用高精度注射泵，結(jié)合定制3D打印機，可以一次性打印整個軟體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其打印用料為液體硅膠，直接在機器內(nèi)部混合，然后用注射泵擠出，對流加熱機構(gòu)對擠出的材料加熱固化，保證打印體不發(fā)生坍塌；用耐高溫材料制造了混合室，保證混合室是絕熱的，材料在擠出前不會固化。

圖3 數(shù)字掩模投影立體光刻實驗裝置[19]

Fig.3 Experimental device of digital mask projection stereo lithography

圖4 3D打印機[20]Fig.4 3D printer

目前鑄造法是制作軟體機器人比較常用的方法。文中以澆鑄法為例，其具體步驟(流程圖見圖5[21])如下：①制作模具，通常采用普通3D打印機打印模具；②向制作好的模具中倒入已經(jīng)調(diào)制完畢的硅膠液體，固化硅膠；③硅膠完全固化后脫模取出，連接裝置。旋轉(zhuǎn)鑄造也是一種鑄造方法，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)鑄造工藝都使用帶有兩個旋轉(zhuǎn)軸的框架來覆蓋空心模具的內(nèi)部，在旋轉(zhuǎn)過程中，熔融的熱塑性樹脂涂在模具表面上，然后冷卻，直到材料變硬。Zhao等[22]開發(fā)了用于制造軟致動器的旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)，如圖6所示，使用的材料是在室溫下的液體，并在鑄造過程中聚合成軟彈性體。旋轉(zhuǎn)鑄造法的主要優(yōu)點是不需要粘合劑，與其他粘合的軟驅(qū)動器相比，這可以產(chǎn)生更大的力，并且此款旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)將來有可能會使用更堅韌的材料。

圖5 澆鑄流程[21]Fig.5 Casting process

圖6 旋轉(zhuǎn)鑄造系統(tǒng)[22]Fig.6 Rotary casting system

軟光刻技術(shù)是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)。其主要過程如下：首先紫外光通過掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；然后通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域的光刻膠，使掩膜版上的圖形被復(fù)制到光刻膠薄膜上；最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。Ranzani等[23]將多層軟光刻、精密激光微加工和折疊技術(shù)相結(jié)合，提出了建立三維微型軟結(jié)構(gòu)和器件的新方法；該團隊制造了一款具有嵌入式微流體電路的軟蜘蛛，首先使用軟光刻技術(shù)生成12層彈性硅膠(這些硅膠共同構(gòu)成了軟蜘蛛的材料基礎(chǔ))，再使用激光微加工技術(shù)從模具中精確切割每一層，然后粘合到下面的一層以創(chuàng)建軟蜘蛛的3D結(jié)構(gòu)。Chin等[24]提出了一款用電機驅(qū)動的柔性執(zhí)行機構(gòu)Handed Shearing Auxetics，使用聚四氟乙烯圓柱管激光雕刻成型。

在形狀沉積工藝中常用軟材料作為支撐材料，用硬聚氨酯作為犧牲材料，可以將傳感器融入到機器人本體中，制造微小尺度軟體機器人，但加工工藝較復(fù)雜，成本較高，沉積過程中對加工環(huán)境要求也較高，此處不再詳細贅述。

與軟光刻技術(shù)和澆鑄法相比，3D打印技術(shù)無需人工干預(yù)，尺寸誤差小，制造時間縮短50%以上。3D打印的軟體機器人性能更好，功能更加強大，可靠性更高。目前3D打印技術(shù)直接打印軟體機器人是一個正在開發(fā)的領(lǐng)域，在材料和傳感技術(shù)發(fā)展的推動下，3D打印技術(shù)也有可能實現(xiàn)驅(qū)動傳感一體化打印。

3 驅(qū)動方式

為了使軟體機器人在工作中能夠產(chǎn)生彎曲、伸縮和扭轉(zhuǎn)等動作，除了需要有高柔性和大變形能力的材料外，其驅(qū)動方式也至關(guān)重要。目前的軟體機器人驅(qū)動方式中，有的通過傳輸介質(zhì)對本體進行驅(qū)動，有的采用變形能力強的材料作為驅(qū)動介質(zhì)，還有的直接利用本體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的動力進行驅(qū)動。根據(jù)驅(qū)動原理的不同，可以將驅(qū)動方式分為氣體驅(qū)動、智能材料驅(qū)動、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動3類。

3.1 氣體驅(qū)動

氣體驅(qū)動被廣泛地用于軟體機器人上，氣體驅(qū)動可以分為正壓驅(qū)動和負壓驅(qū)動兩種形式。正壓驅(qū)動是指通過向腔體內(nèi)充入壓縮氣體，使腔體膨脹帶動軟體執(zhí)行器運動和變形。負壓驅(qū)動是指通過抽真空的方式把腔體內(nèi)的空氣抽走，使腔體產(chǎn)生收縮并帶動軟體執(zhí)行器運動和變形[25]。

Fei等[26]提出了一種基于織物的多功能和剛度可調(diào)節(jié)軟夾具，它由兩個片狀手指和一個圓柱形手腕構(gòu)成，使用正壓驅(qū)動，如圖7所示。雙向彎曲的片狀手指不但擴大了可以抓握的物體的尺寸范圍，還能夠更穩(wěn)定地抓住各種形狀的物體，可調(diào)節(jié)的夾持力擴大了可以抓握的物體的質(zhì)量范圍，通用的軟手腕允許它以各種方向抓住物體。因為片狀手指致動器是雙向可彎曲的并且在兩側(cè)具有可膨脹的氣室，改變兩側(cè)腔室中的共同壓力，可以改變手指的剛度，腕部的剛度也可以用相同的方式調(diào)整。測試表明，該夾具可以產(chǎn)生的最大夾持力向內(nèi)為40 N，向外為38 N。

Vasios等[27]簡化了正壓氣體驅(qū)動的軟體機器人，利用水流過稻草時稻草越薄、水越難通過的原理，精心挑選了不同尺寸的管子來控制空氣穿過設(shè)備的速度。單個輸入其中一個管，泵送相同量的空氣，但管的尺寸決定了空氣流動的方式和位置。該團隊展示了一種具有嵌入式驅(qū)動控制的四足軟體機器人的設(shè)計方法。嵌入機器人頂部的管子將空氣依次引導(dǎo)到每條腿，使機器人能夠爬行，如圖8所示。這種由加壓空氣驅(qū)動的新型簡化軟體機器人用一個輸入取代了多個控制系統(tǒng)，減少了為設(shè)備供氣所需組件的數(shù)量、質(zhì)量和復(fù)雜性。

圖7 剛度可調(diào)節(jié)的軟夾具[26]Fig.7 Soft gripper with adjustable stiffness

圖8 簡化的軟體機器人[27]Fig.8 Simplified soft robot

Hyatt等[28]對能夠執(zhí)行操作任務(wù)的大型氣動軟體機器人進行有效的配置估計和控制。由Pneubo-tics[29]公司開發(fā)和制造的基于織物的正壓氣動系統(tǒng)見圖9。King Louie有兩個四自由度的手臂，每個臂的長度為1.1 m，還有一個單自由度的髖關(guān)節(jié)。Kaa是一個1.5 m長的六自由度系列的機械手，被安裝在NASA Ames的K-Rex漫游車上，完成了支撐、掃地、安全人機協(xié)作、拾取和放置等任務(wù)。

圖9 大型氣體驅(qū)動的軟體機器人Fig.9 Large-scale soft robots driven by gas

利用負壓驅(qū)動的軟體機器人的設(shè)計和研究也逐漸開展。Li等[30]提出了流體驅(qū)動的折紙人造肌肉FOAM，這些肌肉可以很容易地由各種各樣的材料制成，通過改變骨架的幾何形狀可以實現(xiàn)各種運動，還可以使用具有不同鉸鏈剛度的空隙來實現(xiàn)差異收縮，產(chǎn)生不對稱的平面外運動，與由高壓氣體驅(qū)動的人造肌肉相比，使用負壓為FOAM提供了更安全的致動方式。之后，Li等[31]繼續(xù)用折紙帶來的靈感研發(fā)了一種新的夾具，是一種由折紙“魔術(shù)球”和柔性薄膜組成的輕量化、真空驅(qū)動的柔性機器人夾持器。此款夾具制作簡單，一個柔順的折紙“魔術(shù)球”結(jié)構(gòu)作為抓握器的內(nèi)部骨架，它的表面被一個橡膠氣球或薄織物片覆蓋，骨架和外表面可以是不同材料的組合應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，即使在高負荷下，該夾具也能較好地抓取各種物體，如圖10所示。

圖10 真空驅(qū)動的折紙軟夾具[31]Fig.10 Origami soft gripper driven by vacuum

使用氣體驅(qū)動具有反應(yīng)速度快、變形快、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但同時也存在一些不足：①對密封性要求高，難以實現(xiàn)驅(qū)動設(shè)備的小型化，需要外置氣管、空氣壓縮機等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；②氣腔在充氣膨脹時若不添加限制層會出現(xiàn)爆裂等情況。因此，氣體驅(qū)動執(zhí)行器還有待于優(yōu)化和創(chuàng)新。

3.2 智能材料驅(qū)動

采用智能材料驅(qū)動軟體機器人是目前驅(qū)動方式中研究較多的方向，形狀記憶合金(SMA)、電活性聚合物(EPA)、聚合物-金屬復(fù)合材料(IPMC)等都屬于智能材料。SMA是兩種以上金屬元素構(gòu)成的材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)，其質(zhì)量小，易于實現(xiàn)驅(qū)動器的微型化、自動化且響應(yīng)速度快，工作無噪聲，因而受到眾多研究人員的青睞。EAP具有特殊的電性能和機械性能，這種聚合物在受到電刺激后產(chǎn)生形變，具有較大的應(yīng)變能力，且質(zhì)量輕、驅(qū)動效率高、抗震性能好。IPMC是一種新型的智能材料，由于其具有良好的機電轉(zhuǎn)換能力且本體柔軟，可以制作成多種驅(qū)動器和傳感器，因而在各個領(lǐng)域中展示出巨大的應(yīng)用潛力。

Alcaide等[32]用SMA彈簧和硅膠制作了一個三段式仿蠕蟲機器人，這個機器人由3個相同的部分組成，每個部分有3個SMA 彈簧位于120°的位置，用硅膠做皮膚，如圖11(a)所示。3個SMA彈簧控制每個部分的方向和擴展，柔軟的皮膚為SMA彈簧提供恢復(fù)力。在每個部分中，每個SMA彈簧都由脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流信號獨立控制。Laschi等[33]將 SMA 和軟材料相結(jié)合，研發(fā)了一種多臂章魚機器人，該機器人可以像生物一樣在水中行走，還能抓取各種形狀和大小的物體(見圖11(b))。Kong等[34]提出了一種基于交叉編織SMA線材的增強型人工肌肉模塊。SMA線材在三維空間中交叉編織成交叉結(jié)構(gòu)，實驗證明了編織方法應(yīng)用于SMA人工肌肉模塊的可行性，編織方法可大幅增加人工肌肉模塊的有效應(yīng)變。Wang等[35]設(shè)計了一款基于形狀記憶合金的柔性夾持器，該夾持器由3個具有可變剛度的相同手指組成，用于低剛度狀態(tài)下的自適應(yīng)抓取和高剛度狀態(tài)下的有效抓取，其中SMA材料為驅(qū)動材料，形狀記憶聚合物(SMP)為可變剛度材料，如圖11(c)所示。

圖11 智能材料驅(qū)動的軟體機器人Fig.11 Soft robots driven by intelligent material

Cianchetti等[36]模仿章魚臂肌肉模塊，提出了一種基于電活性聚合物的新型軟驅(qū)動器，致動器利用金制薄膜作為電極，硅膠壓片作為主體材料，通過4個縱向肌肉和多個平行的橫向肌肉獲得仿生章魚臂。

Wang等[37]利用薄膜表面的導(dǎo)電層之間的靜電引力促使薄膜發(fā)生壓縮與形變的原理，開發(fā)了由離子聚合物-金屬復(fù)合材料(IPMC)組成的機械臂，如圖11(d)所示(該機械臂由6段組成，每段可以單獨控制，柔順性較高)，利用機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)路徑規(guī)劃，使其通過導(dǎo)航功能穿過狹窄的鎖孔，但響應(yīng)和運動速度較慢。

SMA驅(qū)動雖質(zhì)量輕，可以實現(xiàn)微型化，但溫度難以控制，驅(qū)動頻率低。EAP驅(qū)動雖變形量大，能量密度高但需要較高的激勵電場，穩(wěn)定性差。IPMC驅(qū)動雖能通過小激發(fā)電壓引起環(huán)形結(jié)構(gòu)的大彎曲變形，從而穿過狹窄的縫隙，但具有耦合效率低和致動速度較差的缺點。

3.3 化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動

化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動是指利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量驅(qū)動機器人運動。化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動是一種特殊的驅(qū)動方式，借助機器人內(nèi)部的微流道可以實現(xiàn)完全自主的運動。Wehner等[38]研發(fā)的世界上首款能夠自主移動的全軟體機器人Octobot，就是利用化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的，如圖12所示。該機器人利用先進的3D打印技術(shù)獲得連通機器人8只觸手的氣液流體微孔道，注入體內(nèi)的過氧化氫溶液在壓力作用下流過微孔道，當遇到機器人體內(nèi)的鉑催化劑時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放氣體，使通道體積膨脹發(fā)生變形，從而驅(qū)動機器人實現(xiàn)運動。Bartlett等[39]使用三維打印將多種材料融合在一起，建造了一個燃燒動力機器人，由丁烷和氧氣燃燒提供動力，該機器人能夠執(zhí)行無繩跳躍。Loepfe等[40]開發(fā)了一種由無氧化亞氮-丙烷/丁烷氣體混合物燃燒驅(qū)動的完全不受束縛的軟體機器人，該機器人使用一個不倒翁的結(jié)構(gòu)，每次跳躍后都能自動平衡到一個直立的狀態(tài)?；瘜W(xué)反應(yīng)驅(qū)動擺脫了外部連接裝置的束縛，實現(xiàn)了機器人的靈活性，但存在化學(xué)反應(yīng)不可控的問題，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，此種驅(qū)動方式將會為軟體機器人的發(fā)展帶來突破性的進展。

圖12 全軟體機器人Octobot[38]Fig.12 Full soft robot-Octobot

4 應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 仿生結(jié)構(gòu)

軟體機器人的研究促進了仿生機器人的發(fā)展，使仿生機器人不再是純剛性材料。軟體動物身體柔軟內(nèi)部沒有硬質(zhì)骨骼的特性讓研究人員受到了啟發(fā)，推進了仿生機器人的發(fā)展。目前仿生機器人已經(jīng)可以實現(xiàn)蠕動爬行、腿式爬行、噴射游動、魚形游動、蠕動等多種仿生運動。Rafsanjani等[41- 42]模仿蟒蛇爬行制作了一種纖維增強型彈性軟驅(qū)動器，如圖13(a)所示，它在充氣時軸向延伸，通過在執(zhí)行器周圍包裹Kirigami皮膚以增強軟執(zhí)行器的爬行能力，Kirigami皮膚是通過將一系列切口嵌入薄塑料片來制造的?？突仿〈髮W(xué)與其他高校合作創(chuàng)建了帶有形狀記憶合金執(zhí)行器的無繩軟機器人[43]，如圖13(b)所示，可實現(xiàn)4條腿的相互協(xié)作，模仿動物的奔跑動作。

圖13 幾款仿生機器人Fig.13 Several kinds of bionic robots

受到柔軟的頭足類動物使用水力噴射進行高速水下運動模式的啟發(fā)，Keithly等[44]開發(fā)了一種可膨脹硅膠囊的噴射發(fā)動機，使用甲烷和氧氣燃燒產(chǎn)生的動力驅(qū)動硅膠囊膨脹，并快速釋放化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，模仿魷魚的噴射高速運動。Hou等[45]研發(fā)的仿生機器人-魷魚如圖13(c)所示，可以使用水射流推動自己出水，在半空中滑行，并潛入水中。仿生魷魚機器人主要由壓縮空氣提供動力，目前只能進行單次噴射，對此研究人員正在嘗試使用密度稍大的氣體來代替壓縮空氣，以延長噴氣時間。Robertson等[46]研發(fā)出一款以扇貝為靈感的水下機器人RoboScallop，如同真正的扇貝一樣，擁有兩片相連接、可以開合的外殼和一片包裹外殼的彈性膜代替扇貝肉，如圖13(d)所示。在仿生貝殼張開時，水被吸入殼內(nèi)；閉合時，水從彈性膜兩側(cè)沒有連接的部分擠出，推動機器人向前或向上移動。扇貝機器人可用于水下遙感、監(jiān)測和探測，或在精細生態(tài)系統(tǒng)中開展工作，或在水下機器人群中使用以完成各種專業(yè)任務(wù)。

Katzschmann等[47]設(shè)計了一款可以三維游泳的軟機器魚，可連續(xù)記錄它所追蹤的水生生物；通過使用小型聲學(xué)通信模塊發(fā)送速度、轉(zhuǎn)彎角度和動態(tài)垂直潛水等命令來引導(dǎo)魚，如圖13(e)所示。這款軟機器魚柔軟的執(zhí)行器設(shè)計，有助于更自然地融入海洋環(huán)境，可用于研究水生生物和海洋動力學(xué)的相互作用。Aubin等[48]創(chuàng)造了一種由電池液驅(qū)動的機器魚，如圖13(f)所示，其開發(fā)人員稱電池液為“機器人血液”。“血液”是一種碘化鋅的電解液，鋅在放電的過程中被氧化，釋放出電子和可溶性的鋅離子。電子通過機器人的電子設(shè)備流向陰極電解液，電子移動產(chǎn)生的電流為微控制器和人工循環(huán)系統(tǒng)泵供電，并將電解質(zhì)作為液壓油制作了一套液壓驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動魚鰭擺動。這條機器魚雖然反應(yīng)很慢，但是這個思路在未來解決軟體機器人驅(qū)動和其他機器人問題上都具有啟發(fā)意義。Zarrouk等[49]開發(fā)了全球第一款單獨制動器波形機器人(又叫SAW機器人)，其設(shè)計十分簡潔，全身上下僅有一個馬達和一個剛性螺旋，這個螺旋被嵌在類似于履帶的3D打印鏈條中。當馬達旋轉(zhuǎn)時，就會帶動螺旋轉(zhuǎn)動，使履帶產(chǎn)生上下蠕動的“波浪”，推動機器人前進。SAW機器人的應(yīng)用方向可分為兩類：一是在復(fù)雜環(huán)境內(nèi)進行安全檢查，例如隧道、管道及倒塌的建筑物內(nèi)；二是將機器人縮小到厘米或毫米尺寸，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)人體檢查、治療等方面。

4.2 抓取作業(yè)

軟體機器人在執(zhí)行抓取作業(yè)時因其自身的柔軟性而能改變自身形態(tài)，對一些易碎品和不規(guī)則物體進行抓取時，采取包裹形式的抓取，不會損壞物體。夾具類型包括指狀致動器夾取、彎曲卷繞和懸掛吊起等多種方式。美國的Soft Robotics公司制作的mGrip[50]是一種全新的機器人夾具，采用兩個或者多個指狀致動器抓取物體，如圖14所示。該夾具具有自適應(yīng)性、可重復(fù)性、可靠性、即插即用等特點，已大量用于食品(如面包、餅干等輕量化食品)加工。Glick等[51]設(shè)計的指狀軟夾具，通過在其表面加入一種微米大小的楔形圖案來增強其夾持力。Zhu等[52]提出的夾具包含兩個相同的柔軟指狀物，每個指狀物包括氣動致動器和集成層干擾單元；可以在低剛度下自由變形并且在高加速度期間保持其在高剛度下的抓握穩(wěn)健性。

圖14 mGrip[50]Fig.14 mGrip

Jiang等[53- 54]設(shè)計了一款基于蜂巢氣動網(wǎng)絡(luò)的機械臂，如圖15所示，主體采用彈性體框架，每個巢中都有獨立的氣動裝置，充氣膨脹帶動機器人運動；并進行了軟體臂彎曲卷繞物體的抓取測試。Uppalapati等[55]開發(fā)了用來采摘漿果的新農(nóng)業(yè)機器人，研究了一種螺旋結(jié)構(gòu)的氣動驅(qū)動，通過在物體周圍螺旋旋轉(zhuǎn)的夾持器所獲得的夾持動作，可以幫助處理長、細和不規(guī)則形狀的物體。Pedro等[56]創(chuàng)造了一個封閉結(jié)構(gòu)的軟機器人夾具，當致動器施加正氣壓時，腔的內(nèi)表面膨脹，將物體保持在其內(nèi)部并吊起物體完成抓取，如圖16所示。

圖15 基于蜂巢氣動網(wǎng)絡(luò)的軟機械臂[53]

Fig.15 Soft manipulator based on honeycomb pneumatic networks

圖16 封閉結(jié)構(gòu)的軟機器人夾具[56]Fig.16 Closed structure soft robot gripper

5 傳感與控制

5.1 傳感

軟體機器人的柔軟和高度的形狀適應(yīng)性，增加了建模和感知的難度，難以實現(xiàn)精準控制。普通商用柔性傳感器的彈性模量一般大于硅膠材料的彈性模量，且型號和形狀固定，對軟體機器人的運動會產(chǎn)生影響。當前學(xué)者們致力于開發(fā)柔性電子器件和人造皮膚等，以提高柔性傳感技術(shù)，在材料和加工工藝上有了新的進展。例如Park等[57]使用一種嵌入式液體導(dǎo)體制作具有高柔軟和可以拉伸的多模態(tài)感應(yīng)能力的人造皮膚，將具有嵌入微通道的3個超彈性硅橡膠層堆疊并粘合，填充有E-GaIn液態(tài)導(dǎo)體的微通道通過按壓或拉伸而變形時，微通道的電阻由于其減小的橫截面積和增加的通道長度而增加，從而可以檢測壓力、應(yīng)變、彎曲的改變。

Araromi等[58- 59]在研究可穿戴機器人的過程中開發(fā)了新型柔性壓力傳感器：2016年提出了使用薄膜涂層生產(chǎn)具有各向異性和導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體來制造新型柔性壓力傳感器，利用向薄膜表面施加垂直壓力時，會導(dǎo)致面內(nèi)電阻顯著降低的效應(yīng)來構(gòu)建一個靈活的壓力開關(guān)，實驗表明該開關(guān)可以承受高于5 kPa的壓力變化，證明了這些各向異性導(dǎo)電復(fù)合材料在開發(fā)用于自主軟體機器人系統(tǒng)或可穿戴壓力響應(yīng)裝置的高響應(yīng)性和柔性壓力傳感器方面有巨大的潛力；2017年提出了一種靈活的電容式壓力傳感器(該傳感器由導(dǎo)電性織物和微結(jié)構(gòu)硅樹脂介電層制成)，利用傳感器介電層的厚度變化會導(dǎo)致傳感器電容的改變這一原理來檢測壓力的變化，將傳感器集成到紡織手套中，展示了軟壓力傳感器在檢測抓力方面的應(yīng)用。

除了有檢測壓力變化的傳感器外，還有檢測彎曲角度的傳感器。通過確定電感變化與彎曲角度之間的關(guān)系，Prituja等[60]提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的新型軟電感螺線管彎曲傳感器，其檢測原理是：當傳感器受到外界壓力時，其內(nèi)部電磁場發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)變化率可以確定彎曲量。聚氨酯彎曲傳感器[61]通過測量聚氨酯材料變形時泄漏的光量變化來估計聚氨酯的彎曲角度，其檢測原理是：當聚氨酯不彎曲時，光照全部通過聚氨酯的內(nèi)部；當聚氨酯發(fā)生彎曲時，一些光會從聚氨酯中漏出，從而導(dǎo)致材料內(nèi)光量的減少，測量光量的減少就可以測量聚氨酯的彎曲。

另外，還有檢測三維運動的方案。Scimeca等[62]為了解決軟體機器人感知的問題，提出了一種無模型的方法，將電容式觸覺傳感器陣列安裝在軟體手指的根部，通過視覺跟蹤系統(tǒng)學(xué)習(xí)觸覺傳感器響應(yīng)和指尖空間位置之間的關(guān)系，當手指彎曲時，就可以由觸覺傳感器的表面壓力變化得到指尖的空間位置。在三維電磁跟蹤系統(tǒng)[63]中，磁場發(fā)生器產(chǎn)生電磁場，安裝在軟執(zhí)行器兩端的磁感應(yīng)傳感器，感應(yīng)執(zhí)行器的位置和方向信息并反饋給信號放大器。Xu等[64]以硅樹脂為基礎(chǔ)，研制了一種新型生物相容性導(dǎo)電液體應(yīng)變力傳感器，展示了傳感器作為可穿戴設(shè)備檢測人類手部運動的能力。與使用不可伸展性的商業(yè)傳感器[65]相比，新型柔性傳感器具有高延展性，能夠更好地適應(yīng)軟體機器人高度柔順的姿態(tài)。目前的柔性傳感技術(shù)雖然取得了一些突破，但尚處在初步研究階段，未實現(xiàn)商業(yè)化，開發(fā)低成本、高精度電子傳感設(shè)備仍是一個難題。

5.2 建模和控制

與傳統(tǒng)剛性機器人有本質(zhì)區(qū)別的是，這些高自由度機器人的設(shè)計、分析和控制還沒有一個統(tǒng)一的框架。特別是軟體機器人的建模和控制一直是一個難以攻克的問題，目前軟體機器人的建模還是采用連續(xù)剛形體方程。最簡單和最常用的運動模型是假設(shè)三維連續(xù)體的構(gòu)型空間可以由3個參數(shù)表征，通常稱為常曲率(CC)近似[66]。由于一個具有常曲率圓弧覆蓋的平面連續(xù)體機器人，其每一小節(jié)的曲率都近似恒定，因此，CC模型只有在穩(wěn)態(tài)條件下才真正有效。對于多段連續(xù)體或軟機械臂，將每個CC段接合在一起，就可以得到分段常曲率(PCC)模型[67]，是軟體機械臂常用的建模方法。Trivedi等[68]利用梁理論和Cosserat桿理論，提出了一種更為復(fù)雜的梁理論建模方法。Martín等[69]提出了一種基于循環(huán)坐標下降(CCD)的自然-CCD算法，用于求解超冗余柔性機器人的逆運動學(xué)問題。Renda等[70]基于連續(xù)Cosserat模型的離散化，提出了一種新的用于多分段軟機械手動力學(xué)的分段恒定應(yīng)變模型，開發(fā)了兩種有效的遞歸算法，獲得了較好的模型精度，大大縮短了計算時間。Hyatt等[71]提出了一種確定軟體機器人手臂近似運動學(xué)模型的方法(即任務(wù)空間控制方法)，該方法能夠精確定位大型軟體機器人操縱器的末端執(zhí)行器，在移動軟體機器人手臂的同時收集數(shù)據(jù)，并連接到軟體機器人的姿勢測量系統(tǒng)。以上建模方法在實際運用中都存在較大的局限性和建模誤差；動力學(xué)方程過于復(fù)雜，較難運用于實際控制任務(wù)中。

除了改進建模方法外，學(xué)者們也對控制方法包括視覺反饋、閉環(huán)控制等進行了探索。Zollo等[72]通過神經(jīng)反饋實現(xiàn)了閉環(huán)控制功能，引發(fā)的觸覺響應(yīng)使得軟體機器人能夠成功實現(xiàn)越來越復(fù)雜的抓握和操縱任務(wù)。Wang等[73]利用視覺伺服控制軟體機械臂定位目標物體。Mustaza等[74]采用拉格朗日方法推導(dǎo)出機械手的運動方程，實施基于材料模型的閉環(huán)軌跡控制，進一步驗證了衍生模型的可行性并提高了整個系統(tǒng)的性能。

柔性機器人動力學(xué)控制的無模型方法仍是一個相對未知的領(lǐng)域，機器學(xué)習(xí)技術(shù)在連續(xù)機器人控制中的最早應(yīng)用是為了補償動態(tài)不確定性。目前，一種基于機器學(xué)習(xí)的軟體機器人動力學(xué)模型開發(fā)方法和任務(wù)空間機械手預(yù)測控制的軌跡優(yōu)化方法[75]，第一次在軟機械手上進行模擬，這種方法有望為軟體機器人操縱器開發(fā)快速準確的動態(tài)模型，同時適用于各種軟機械手。Thuruthel等[76]利用軌跡優(yōu)化和監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，提出了一種基于模型的增強學(xué)習(xí)方法，該方法應(yīng)用在軟體機器人的閉環(huán)動態(tài)控制中，可以直接學(xué)習(xí)閉環(huán)控制策略，而不需要分析模型，但該方法沒有分析機械手設(shè)計與動力學(xué)之間的關(guān)系，很難確定建模誤差的來源或開發(fā)最佳設(shè)計策略。之后Thuruthel等[77]又提出了一種基于嵌入式軟傳感器和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的柔性執(zhí)行器實時感知的非模型方法，可用于執(zhí)行器無模型的實時多模態(tài)傳感。該方法具有高度通用性，能夠交換傳感器信息、感應(yīng)模式和系統(tǒng)本身，而無需對學(xué)習(xí)算法進行任何更改，但此方法目前依賴于獨立的外部傳感技術(shù)提供參考反饋，在不同的結(jié)構(gòu)中傳感器需重新布置。

對于軟體機器人的動力學(xué)控制，依然是一個難以解決的問題，通過對目前軟體機器人控制方法的研究可以看出，由于缺乏更好的分析模型，非模型方法顯示出良好的控制效果，因此將機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于從執(zhí)行器空間到任務(wù)空間的動態(tài)映射學(xué)習(xí)，是一種可行的研究方法。

6 總結(jié)與展望

機器人是社會技術(shù)變革的基礎(chǔ)，而軟體機器人將成為這種變革的一部分。在過去的幾年里，軟體機器人領(lǐng)域取得了許多令人興奮的進展。傳感和驅(qū)動方面的新方法，新材料及其結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)有制造技術(shù)的顯著改進，已經(jīng)產(chǎn)生了功能強大的軟設(shè)備和軟體機器人。其驅(qū)動方式主要有氣體驅(qū)動、智能材料驅(qū)動、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動等，化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動和新材料的興起，讓化學(xué)有機會在其發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。隨著人類向?qū)嵱眯浴⒉皇芗s束性的系統(tǒng)邁進，在靈敏度、強度和效率方面的改進變得越來越重要。同時，對軟體機器人的高效制造和精確控制是未來發(fā)展的方向。在不久的將來，該領(lǐng)域的進步將開始產(chǎn)生新的消費，在醫(yī)療和工業(yè)技術(shù)等領(lǐng)域，將對人類如何與機器和電子設(shè)備互動產(chǎn)生革命性的影響。這些進步將需要在柔軟的多功能材料方面不斷取得進展，以及在仿生研究、建模、控制和用于軟體機器人自主學(xué)習(xí)的機器智能方面取得突破。