未来的柔性机器人

徐宁

机器人技术已经发展了那么多年，为什么在我们的生活和工作中还是很少见到它们？原因不是因为太昂贵，而是因为今天的许多机器人只适合用于重复度高、精度要求高的领域，比如汽车装配。虽然装配一辆汽车需要成千上万道工序，但无论是抓取零件还是焊接车架，都是重复千百万次都固定不变的动作。

但真实世界不是“装配线”，而是不断变化着的。机器人在精度和速度上的优势并不能让它们很好地适应真实世界。比如，在2015年美国国防高级研究计划局主办的一场机器人挑战赛上，一台机器人因为一个简单的转动门把手开门的动作，把自己给摔倒了：又比如用机器人通过捏芒果来判断成熟度，就算用当今汽车制造业顶级的机器臂（平均动作误差小于0.02毫米）来捏100个芒果，其中肯定有许多被捏破的。所以，有些动作在人类看来很简单，但机器人完成起来却很困难。

面对这样的难题，科学家和工程师开始用另一种思路来设计机器人。首先，它们应该更善于完成条件多变的任务，尽管不需要很高的精度或速度;其次，考虑到它们和人类一起工作和生活，这些机器人应该是柔软的，这样才不会伤害人类;最后，机器人的生产成本不能太高，也不会轻易就被损坏。因此，越来越多柔性机器人开始加入机器人的行列。

如何让机器人变得更软

从很久以前，机器人设计就开始借鉴自然界中的生物，即仿生学。但传统机器人因为太硬了，很难像动物一样自由运动。人类等脊椎动物的内骨骼（硬质材料）只占体重的1096～15%，而我们身上的其他部位如传感器（神经）、驱动器（肌肉）、中央控制系统（大脑）都是柔软的、可变形的。不仅如此，我们储存“燃料”的肝脏和肠道是柔软的，处理废物的肾脏和肝脏也是柔软的，交换气体的肺部和交换热量的皮肤都是柔软的。如果机器人的柔软材料比例更高，它们的行动也会更自然。

要让机器人变软，最简单的做法就是在坚硬的金属表面覆盖橡胶、泡沫、硅胶等柔软材料，但科学家希望机器人不仅表面是柔软的，而是全部由柔性材料制成，最好连电池、电路板、电线都不需要。这样的机器人才能实现柔和的动作，也能承受更大冲击，最重要的是它们与人相处起来也更安全。

科学家想了许多让机器人变软的方法。他们借鉴了蚯蚓等环节动物“静水骨骼”的原理，在一些机器人体内安放由记忆合金弹簧制成的圆柱形中空金属网。记忆合金收缩和变形，让柔性机器人自由变化长度和粗细。在以往，硬质机器人要想完成更复杂的动作，就要增加关节数量。而由记忆合金弹簧制成的机器人，其“骨骼”可以自由弯曲，因此动作不再受关节数量局限。一种叫“GoQBot”的机器人可以通过翻滚躲避危险。对它的研发借鉴了自然界中最快速的躲避机制之一。GoQB0t长得就像一条毛毛虫，在记忆合金弹簧的驱使下，它能如毛毛虫一样爬行，而且剧烈收缩，能以最高lg（地球表面物体坠落的加速度，约合9.8m/s²）的加速度快速翻滚。

更新一些的方案是气动网格。其原理类似吹气球，只不过区别在于气球的橡胶分布较均匀，充气后的气球向所有方向膨胀。而气动网格机器人的每个部分的材料密度不同，因此充气后各部分膨胀度也不同——直的能变弯，弯的能被拉直。改变材料弯度就像拉伸肌肉，可以让机器人抓取、移动物体。

柔性也给机器人的设计带来了全新思路，比如利用炸药等高能量密度能源。这在以往设计硬质机器人过程中是不敢想象的。在实验中，技术人员用丁烷气爆炸产生的气浪使全软体机器人被弹射到距离地面0.6米的高处，然后重重落下，身体柔软的柔性机器人毫发无伤，能再次跳跃。硬质机器人就难以承受从高处坠下或摔倒，会受到损伤。软体机器人很好地解决了这个问题。

相比电池，化学燃料的能量密度高得多，是非常适合机器人随身携带的能源。柔性材料还有许多奇怪的特性。例如，有些柔性材料有负泊松比：当被拉长时，它们会变宽：被压缩时，反而会变窄。还有的柔性材料受到快速冲击时会迅速变硬。

提起面團的“软手”

如何让机械手抓起柔软的面团曾经难倒过许多工程师。食品工厂流水线的传统夹具往往使用吸盘抓取柔软物体，但比萨饼面团是发酵面团，太过柔软，吸盘内的负压很容易让面团变形。

2016年，英国某比萨饼生产企业第一次让机器夹具拿起了柔软的面团。新型夹具的“手指”表面覆盖了充气聚合物材料，注入空气后快速膨胀的表面能抓住柔软物体，抽出夹具内部的空气后，夹具就能完成丢弃动作。可以变形的“手指”让这种机械手能抓住鸡蛋、生肉、钢笔、蛋糕等物体。即便物体的尺寸不完全相同，夹具也能应对自如：当系统识别到不同尺寸的面团，充气“手指”中会泵入更多空气，夹具间空间变小，就能拿起更小的面团。

柔软夹具的好处是工厂不需要对每种产品分别编写程序，柔软的表面赋予了夹具与产品更大的接触面积，让夹具不用再去精确控制速度、角度和力度，大大降低了所需的传感器数量。机械手平均每分钟能抓起并放下133个小番茄，已经超过了人类熟练工每分钟100个的平均速度。充气软质夹具很好地解决了抓取柔软物体而不造成破坏的难题。当然这不是说刚性机器臂就要被淘汰了——硬质夹具依然适合汽车装配工作。

柔软外骨骼一“外套”

2014年世界杯新闻发布会上，一名因脊柱受损而截瘫的29岁巴西足球运动员在穿上刚性外骨骼后再次行走，引起不小的轰动。虽然刚性外骨骼能帮助残疾人重新行走，但它们很昂贵，用起来也不方便。因此，科学家试图开发更小、更轻的外骨骼。

弹性聚合物人造肌肉、微型柔性传感器、液态金属和记忆合金材料等领域的突破让外骨骼能由硬变软。一种柔性外骨骼也叫“外套”，最初被研发的目的是为了减轻士兵野外行军时的负重。它又软又轻，不会约束穿戴者的运动，也可以穿在衣服下面，不引人注目，价格也比硬质外骨骼更低。

“外套”很柔软，虽然无法让瘫痪病人站立行走，但却能有效帮助中风患者克服脑损伤带来的行走不便。久坐不动是危险的，会大大提高中风患者肌肉萎缩、关节变形和骨密度下降等风险。长时间不动还会引发腿部血管产生深静脉血栓，引起肺栓塞猝死。“外套”能帮助中风患者行走，减少久坐带来的风险。最新型外骨骼甚至不需要人造肌肉，仅靠记忆聚合物薄膜和记忆合金纤维就能实现外骨骼的支撑功能，未来中风患者只需要穿上由这种织物制成的裤子就能正常行走。

进入身体的柔软机器

外形酷似章鱼的机器人“0ctobot”是全世界首个完全自动化的软体机器人。它的主体由硅胶材料经3D打印而成，透过透明硅胶能够看见内部的红蓝线缆。章鱼机器人没有外接线缆，也没有电池。铂催化剂让机器人内部的过氧化氢快速分解为水和氧气。氧气通过柔性阀门让八条臂有序运动，实现游泳动作。

机器章鱼和医疗机器有什么联系？其实，机器章鱼向人们展示了未来医疗微机器人的可能形态：不需要外接电缆、没有硬质结构、可以实现较复杂的动作。如果使用生物可降解材料，柔性医疗微机器人进入病人身体完成任务后，便会自然降解成无毒害物质。可吞食的柔性机器人能到达病灶部位精准送药，也能在人体内收集信息，还能进行无创手术。

英国谢菲尔德实验室正在研发一种心脏辅助装置，这是一种具有复杂几何结构的软体机器，能够包裹在心脏周围，辅助心脏收缩，提高泵血能力，最重要的是它不会伤害心脏。构成机器的泡沫橡胶内部有大量微孔，向其中注入流体能改变其刚性和形状，从而向心脏提供额外压力。通过剪裁，装置能够避开心脏主动脉区域，不会影响心血管正常功能。

能不断“生长”的救援机器人

有些柔性机器人能在尖端位置不断生长，就像葡萄藤一样。斯坦福大学的研究人員在实验室的屋顶进行了一次实验：他们让一台救援用柔性机器人从吊顶进入黑暗的天花板。只见这个机器人从头部位置不断冒出新的躯体，像一条无穷无尽的长蛇。在摄像头的帮助下，机器人躲开了天花板内的电线等障碍物，最终抵达了研究人员预设的目的地，那里有一只燃烧中的蜡烛。由于这台机器人的运动模仿了藤蔓，研究人员将它命名为“藤”。

“藤”并不是真的在生长。其空腔内折叠好的柔性材料从机器人正前方的头部向外翻出，并在压缩空气的作用下充气膨胀;位于其头部的驱动器能改变延伸方向，二氧化碳传感器能帮助它自动向有二氧化碳的方向移动。科学家希望“藤”能够在灾害救援中发挥重要作用，而它也确实展现出某些惊人的特性：完全充气后的“藤”能撑起100千克重的箱子;它的头部直径很小，能穿过直径只有躯体截面直径1/10的小孔，并且不妨碍它穿过后继续膨胀。在后续实验中，胶水、钉子和低温都没能阻止“藤”的前进步伐。万一“藤”的塑料膜被刺破了怎么办？“藤”被刺破的部分会在内部高压下自密封，此时塑料膜会紧紧包裹住尖锐物体，防止内部气体泄露。

近年来驱动、感知、模具成型和控制技术的进步，让越来越多的柔性机器人成为现实。它们不仅能挤压、拉扯、攀爬、成长、变形，有些还能自我进化、自愈、自然降解。柔性革命不仅让机器人变软，让机器人变得更廉价、更智能、更安全。

（责任编辑王川）