软体机器人研究发展综述

刘璟+张益峰+王子又

摘 要：软体机器人是一类新型仿生连续体机器人， 可以在一定限度内随意变化形态，在生物工程、救灾救援、工业生产、医疗服务、勘探勘测等领域均有广泛应用。其结构模仿生物的流体静力骨骼结构，采用形状记忆合金、化学驱动、气压驱动等驱动方式将其他形式能转化为机械能。但还没有可以通用的控制算法适用于所有软体機器人，建模仍是一大难点。综述了软体机器人结构机理、驱动方式等问题，并通过分析和梳理软体机器人的发展历程，分析了软体机器人未来的发展方向。

关键词：机器人 建模结构 机理

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0118-02

机器人已广泛应用于诸多领域，但传统机器人的结构刚性强，环境适应性差。为克服在狭窄空间内运动受到限制的缺点，科学家们从自然界汲取灵感，创造出远比那些传统的金属制同类更加灵活和多功能的软体机器人。

软体机器人的设计灵感来自于广泛存在在自然界中的各种软体动物，因其主要材料为柔软材料，理论上自由度为无穷，并可以在一定限度内随意变化形态。该文介绍了软体机器人结构机理、驱动方式、控制方法及攻克难点等问题，并通过分析和梳理软体机器人的发展历程，分析了软体机器人未来的发展方向。

1 研究现状

软体机器人是仿生机器人研究的后续，已引起各国的高度重视。

目前典型的软体机器人有麻省理工学院、哈佛大学所研发的Meshworm机器人，可以使用SMA模拟蚯蚓蠕动并能抵抗强的冲击[1]；意大利LASCHI等正在研制的仿生章鱼；康奈尔大学的集可发光人造皮肤与充气结构为一体的软体机器人；弗吉尼亚大学研发的仿生蝠鲼机器鱼通过离子交换聚合金属材料驱动，具有切换不同运动模式的能力。

2 结构机理

2.1 蠕虫

蠕虫并不具有刚性骨骼，它的身体主要部分是表皮、肌肉、体液和神经系统。蠕虫并不通过骨骼传递力，而是通过封闭流体产生静压力，它的躯体属于流体静力骨骼结构。以蚯蚓为例，全身体积的40%为肌肉，它的肌肉属于斜纹肌，由斜纹肉构成封闭腔，内部充满体液。而体液限制了体积的变化，所以当肌肉收缩时，会在另一方向上有相应的长度变化，与肠蠕动过程类似。纵肌和环肌通过收缩改变直径的大小，由此蠕虫在每个体节间运动肌肉，借由行进波来完成身体的变形和移动。

2.2 头足类动物

头足类动物（如章鱼、鱿鱼、墨鱼等）具有进行高难度的柔性运动的能力。在一定范围内，每只触手都可以随意弯曲，配合空间改变身体长度[2]。章鱼触手是肌肉性静水骨骼结构，横向和轴向肌肉分别控制触手的伸长和缩短，在行动过程中由沿触手分布的神经系统进行指令的传达，中枢神经系统并非主要控制系统，由此可知，身体与环境之间的信息反馈交互会导致相应的自主运动。欧洲的项目进行了仿真章鱼的相关研究，由LASCHI负责组织协调[2]。

3 驱动方式

3.1 形状记忆合金驱动

形状记忆合金（SMA），其特点是温度达到一定临界值时可以使其在较低温时产生的形变消失。作为一种智能合金材料和柔性驱动器材料，也可应用于智能材料驱动器中，但仍需考虑怎样将其完美嵌入基础材料的基底。但是形状记忆合金丝产生的应力受温度变化影响较大，它的热力耦合行为源于材料本身的相变。除了温度因素，形状记忆合金中马氏体的相变也可以正相关地由应力引起。形状记忆合金致动器一般为丝状或薄片状，为增加驱动范围，可将其变为螺旋结构。

麻省理工学院首先开发出Meshworm[1]，一种仿生蚯蚓机器人，之后研究者开始普遍采用其作为驱动器。Tufts大学实验室研发的仿生毛虫机器人GoQBot也由SMA驱动，研究者使用表面微加工技术，在6 μm厚的聚酰亚胺基底上嵌入SMA丝。

3.2 化学驱动

化学驱动是化学驱动机器人名字的由来，化学反应是其本质，使机器人完成动作的机械能来源于化学能。

其中一种化学能驱动的形式是用特殊材料（一般是凝胶）制成软体机器人，水凝胶是一种智能驱动材料，在柔性机器人中被大量应用。通过物理或化学作用交联形成三维网络结构，亲水性的功能高分子可以吸水溶胀，从而产生水凝胶，其形变是随着外部环境的改变而变化的。早稻田大学NAKAMARU实验室研制了一种仿生尺蠖[3]，其特点是具有蠕虫的运动模式，原理是将由凝胶制成的弧形带状结构置于混合溶液中，基于化学反应凝胶产生伸缩变化，自震动使其运动。

3.3 气动驱动

气动软体机器人是指通过在结构中充气，利用气压使结构产生变形或者运动，从而实现驱动的一类软体机器人。气动驱动技术成熟，反应速度较快，功率密度高，但一般驱动设备体积大，受辅助系统的限制。

哈佛大学研制的章鱼形柔性机器人Octobot由气动机构驱动。气动机构的运作依赖于内嵌的可充气隔间的扩张，相当于致动器。这些致动器被集成到一个由液体燃料（液体过氧化氢）供能的流体气动网络。该燃料通过含有铂催化剂的反应室，催化剂会使过氧化氢分解，产生氧气使致动器膨胀，从而使机器人的手臂发生运动。Okayama研究室研发了气动软体机器鱼。该机器鱼的头部安装了一块电子控制模板，腹部安装了一个二氧化碳储存罐，机器鱼体内则有两根配置了吸入二氧化碳的喷嘴的充气管，充气管的气体进出可以控制鱼的方向，而喷嘴则用来控制鱼的游行速度。

4 结语

如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。纵向上，机器人的种类会越来越多。而软体机器人研究虽只是一种简单的概念，但是有成为人类得力工具的潜力。

尽管软体机器人的研究尚处于起步阶段，仍是一种新的研究方向，跨学科的研究还存在着一系列问题。但未来软体机器人势必将综合更多先进技术，实现高柔软性、多功能化、高亲和度等性能特点，探发其在更多领域应用的潜能。

参考文献

[1] Seok S，Onal CD，Cho K，et al.Meshworm： a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics，2012，18（5）：1485-1497.

[2] Kang R，Branson DT，Guglielmino E，et al. Dynamic modeling and control of an octopus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2012，64（5）：1004-1016.

[3] Nakamaru S，Maeda S，Hara Y，et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009.