隨著柔性機器人的迅速發(fā)展，人們越來越意識到，冰冷、僵硬只是我們對機器人的刻板印象。近年來，有不少研究團隊受貓狗、蛇、章魚等動物的啟發(fā)，設(shè)計出多種形態(tài)的柔性機器人。這一次，哈工大研究團隊受到了象鼻的啟發(fā)，設(shè)計了新型的柔性機器人。

近日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/ContracTIle PneumaTIc Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉）。
?

?

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國最早開展機器人技術(shù)研究的高校之一，也是我國第一臺電焊機器人、弧焊機器人、爬壁機器人、空間機器人、月球車的誕生地，在機器人技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位。

據(jù)報道，此次哈工大冷勁松教授研究團隊受到了象鼻的啟發(fā)，在研究上又有了新發(fā)現(xiàn)，設(shè)計了新型的柔性機器人——新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉。

人造肌肉

在該研究中，「氣動人工肌肉」是一個核心元素。

據(jù)了解，氣動人工肌肉，是人造肌肉（arTIficial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場下通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

而氣動人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動進行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來形容它再合適不過了。

實際上，由于具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結(jié)構(gòu)、與骨骼肌相似的特性，氣動人工肌肉在軟體仿生機器人、變剛度靜水骨骼等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，這類材料在醫(yī)學(xué)、機器人、軍事、航天、光學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，具有巨大的商業(yè)潛力。

早在 20 世紀 40 年代，科研人員就開始對這一領(lǐng)域進行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團隊還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當期 Science 封面。

【氣動人工肌肉 圖源百度百科】

“仿象鼻”柔性機器人

近年來，曾有不少研究團隊受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚、兔子等等的啟發(fā)，設(shè)計出多種形態(tài)的柔性機器人。而此次哈工大研究團隊受到象鼻的啟發(fā)，設(shè)計了新型的柔性機器人。
?

?

研究團隊指出，氣動人工肌肉運動在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。

為此，該團隊在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據(jù)論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成（如下圖）。
?

?

當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產(chǎn)生繞軸的彎曲、旋轉(zhuǎn)運動，使致動器產(chǎn)生螺旋變形，類似我們曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉(zhuǎn)的運動過程。

而區(qū)分伸展還是收縮，主要取決于「編織角度」——編織角度 > 54.74 度時為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時為 HC-PAMs（下圖 ii）。

在此基礎(chǔ)之上，研究團隊通過一個仿象鼻的高自由度柔性臂來探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負載能力很強，而 HE-PAMs 可產(chǎn)生更多的變形。
?

?

值得一提的是，這一研究提出了統(tǒng)一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團隊通過實驗、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性。

據(jù)了解，軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉可以廣泛地應(yīng)用于各個方向，比如軟體分類機器人、搜索機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設(shè)備等等。

提升人機互動性的柔性機器人

實際上，人造肌肉材料已成為當今研究的前沿和熱門，這與人們對柔性機器人領(lǐng)域越來越多的關(guān)注密不可分。

捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說中，根據(jù) Robota（捷克文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波蘭文“工人”），創(chuàng)造出“機器人”一詞。100 年后，機器人不再只是僵硬、冰冷的機器，柔性機器人正進入我們的視野，工業(yè)柔性機器人和生物柔性機器人是其主要的 2 個分支。

柔性機器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強的安全性，以及良好的人機互動性。正如香港科技大學(xué)機器人研究院院長、機械及航空航天工程學(xué)系教授王煜在 2018 年世界機器人大會上所說：

相較于剛體材料而言，軟體材料互動性好很多，如果用軟體材料做出新的機器人，可能會開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。

不過，想要完美地同時兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個突破口，比如中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團隊考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機器人運動。

應(yīng)用前景

當前，全球機器人市場規(guī)模持續(xù)擴大，機器人產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步增長。據(jù)相關(guān)報告，2019年全球機器人市場規(guī)模達到294.1億美元，2014～2019年全球機器人市場的平均增長率約為12.3%。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，中國將成為全球最大的機器人應(yīng)用市場，預(yù)計在2030年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到260億美元，占到全球1/3。也就是說，預(yù)計在2030年全球機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到780億美元。

在巨大的市場前景下，不少企業(yè)、高校等研發(fā)團隊研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。而柔性機器人具備材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強的安全性，能夠破除傳統(tǒng)機器人關(guān)節(jié)的僵硬和材料的剛強，有著更為良好的人機互動性，或?qū)⒊蔀槲磥砩虡I(yè)運用的主流趨勢之一。極智嘉聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO李洪波曾表示，柔性機器人系統(tǒng)蘊含著巨大市場潛力，將會在智慧物流、智能制造、以及大家所能想象到的商業(yè)環(huán)境里，得到廣泛的應(yīng)用。

目前，柔性機器人主要的商用場景為工業(yè)和醫(yī)療。其中，醫(yī)療領(lǐng)域是柔性機器人典型性和商業(yè)度較高的應(yīng)用領(lǐng)域，潛力空間估值接近75億美元。
?

?

在醫(yī)療機器人的柔性化運用中，手術(shù)機器人的臨床性和產(chǎn)業(yè)化程度是當前發(fā)展最快的。柔性化的醫(yī)療機器人能夠進入人體四處移動，提供照明，成為醫(yī)生的眼睛，甚至可以繞過想要避開的區(qū)域。而著名的達芬奇手術(shù)機器人，代表了柔性機器人在該領(lǐng)域的一定水平，其可自由運動的手臂腕部、3D高清影像技術(shù)、主控臺的人機交互設(shè)計這三個關(guān)鍵核心技術(shù)，分別對應(yīng)了柔性機器的機器感知、機器行動和人機交互，可協(xié)助醫(yī)生在有限的狹窄空間工作，手術(shù)操作更精確。

對于工業(yè)領(lǐng)域的柔性機器人應(yīng)用來說，隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設(shè)計不斷創(chuàng)新以及新材料相繼投入使用，工業(yè)機器人的類人精細化操作能力不斷增強。如日本愛普生首款新型折疊手臂六軸機器人，可在現(xiàn)有同級別機械臂60%的工位空間內(nèi)完成靈活操作，采用內(nèi)部走線設(shè)計，自然進入高層設(shè)備、機器、架子等狹窄空間，避免了在設(shè)置和維護過程中進行復(fù)雜的布線，大大提高了成本效率并保持較低的總運行成本。

隨著機器人逐步應(yīng)用到各種實際應(yīng)用場景，機器人產(chǎn)業(yè)輕型化、柔性化、智能化的趨勢日益明顯。此次哈工大以象鼻為啟發(fā)而建立的氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，拓展了柔性機器人更多的可能性。由此可見，未來機器人將越來越靈巧、安全，且形式更多樣化，應(yīng)用范疇也更廣。