2007 年，塞西莉亞·拉斯基請她的父親為她在義大利利沃諾海邊的實驗室抓一隻活章魚。他認為她瘋了：作為一名休閒漁民，他認為章魚太容易抓到了，肯定是非常愚蠢的動物。而且，一位研究金屬和微處理器的機器人研究員要一個軟綿綿的頭足類動物做什麼呢？
儘管如此，老拉斯基還是在托斯卡納海岸附近抓到了一隻章魚，並把它給了在義大利比薩聖安娜高等研究學院工作的女兒。她和她的學生將這個生物放入一個鹹水缸中，在那裡他們可以研究它是如何抓住小塊的鳳尾魚和螃蟹的。然後，該團隊著手製造可以模仿這些運動的機器人。
經過一次又一次的原型設計，他們創造了一種帶有內部彈簧和金屬絲的人工觸手，可以模仿章魚的肌肉，直到該裝置能夠以逼真的方式波動、伸長、收縮、變硬和捲曲。“這是一種完全不同的機器人制造方式，”拉斯基說。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在過去十年中，這種方法已成為機器人技術的主要研究前沿。該領域的科學家和工程師長期以來一直致力於硬體機器人，其靈感通常來自人類和其他具有硬骨骼的動物。這些機器的優點是以數學上可預測的方式移動，剛性肢體只能圍繞固定關節彎曲和伸直。但是，它們還需要細緻的程式設計和廣泛的反饋，以避免撞到物體；即便如此，當處理人類、新物體、崎嶇地形或其他不可預測的情況時，它們的運動常常會變得不穩定甚至危險。
受章魚、毛毛蟲或魚類等柔性生物啟發的機器人提供了一種解決方案。軟機器人主要由柔韌或彈性材料製成，無需密集的（且常常是不完美的）計算，就可以將自身塑造成周圍環境的形狀。儘管其中一些機器使用金屬絲或彈簧來模仿肌肉和肌腱，但作為一個群體，軟機器人已經拋棄了定義了前幾代機器人的骨骼。由於沒有任何類似骨骼或關節的東西，這些機器可以以前所未有的方式拉伸、扭曲、擠壓和擠壓。它們可以改變形狀或大小，纏繞物體，甚至比以往任何時候都更安全地觸控人。
製造這些機器涉及開發新技術，以有目的地移動鬆軟的材料，以及監測和預測其動作的方法。但如果成功，這些機器人可能會被用作救援人員，可以擠入狹窄的空間或滑過移動的碎片；作為可以與人類密切互動的家庭健康助手；以及作為可以抓取新物體而無需事先程式設計的工業機器。
研究人員已經生產了各種各樣的此類機器，包括爬行機器人毛毛蟲、游泳機器人魚和波浪起伏的人工水母。4 月 29 日至 30 日，十支隊伍將在利沃諾參加國際軟機器人挑戰賽——同類賽事中的首個。拉斯基是歐洲委員會支援的贊助研究聯盟 RoboSoft 的科學協調員，她希望這次活動將推動該領域的創新。
“如果你看看生物學，問問達爾文的進化論產生了什麼，就會發現各種各樣的令人難以置信的運動、感知、抓握、進食、狩獵、游泳、行走和滑翔解決方案，這些解決方案對於硬機器人來說是無法實現的，”哈佛大學的軟機器人研究員、化學家喬治·懷特塞茲說。“製造全新型別的機器的想法非常有趣。”
平穩移動
當今世界各地數百萬臺工業機器人都源自同一基本藍圖。這些金屬束縛的機器使用其笨重、剛性的肢體，以人類無法比擬的速度、力量和盲目的重複性，承擔汽車裝配線和工業工廠中的繁重工作。但是，標準機器人需要專門的程式設計、嚴格控制的條件以及對其自身運動的持續反饋，才能精確地知道何時以及如何移動其眾多關節中的每一個。它們可能會在超出其程式設計引數的任務中慘敗，並且在不可預測的環境中可能會完全失靈。大多數機器人必須呆在柵欄後面，以保護其人類同事免受意外傷害。
圖片來源：Empire Robotics
“想想繫鞋帶有多難，”劍橋市馬薩諸塞州理工學院計算機科學與人工智慧實驗室主任丹妮拉·魯斯說。“這就是我們希望機器人在機器人技術中擁有的能力。”
在過去的十年中，這種願望引發了人們對更輕、更便宜的機器的興趣增加，這些機器可以處理棘手或不可預測的情況，並直接與人類協作。包括拉斯基在內的一些機器人專家認為，柔軟的材料和仿生設計可以提供答案。
拉斯基說，這個想法最初很難推銷。“一開始，非常傳統的機器人技術會議不想接受我的論文，”她說。“但現在有專門討論這個主題的整個會議。”聚合物科學的最新進展，特別是用於將聚合物澆鑄、模塑或 3D 列印成定製形狀的技術的發展，正在幫助推動人們對這一領域的興趣激增。這使得機器人專家可以更自由、更快速地嘗試製作柔軟的形狀。
因此，已有 30 多家機構加入了 2013 年啟動的 RoboSoft 合作專案。次年，專門的期刊《軟機器人》創刊，以及名為軟機器人工具包的開放存取資源：一個由都柏林聖三一學院和哈佛大學的研究人員開發的網站，允許研究人員和業餘愛好者分享技巧，並查詢可下載的設計和其他資訊（參見 go.nature.com/8gsq4h）。
西拉法葉市普渡大學的機械工程師麗貝卡·克萊默說，“我不認為社群已經就軟機器人應該是什麼樣子達成一致，我們仍在挑選核心技術。”
也許最根本的挑戰是如何讓機器人的柔軟結構捲曲、擠壓和拉伸。拉斯基的機器人觸手容納了一個由細金屬電纜和由形狀記憶合金製成的彈簧網路——形狀記憶合金是一種容易彎曲的金屬，加熱後會恢復到原來的形狀。這些部件沿“手臂”縱向鋪設，模擬章魚的縱向肌肉，這些肌肉在收縮時會縮短或彎曲觸手。其他部件從觸手的核心向外輻射，模擬橫向肌肉，從而縮小手臂的直徑。研究人員可以透過用外部電機拉動某些電纜組合，或透過電流加熱彈簧，使觸手波動——甚至纏繞在人手上。
一個類似的系統有助於驅動神經生物學家巴里·特里默以他最喜歡的實驗生物——菸草天蛾（Manduca sexta）為模型設計的軟機器人毛毛蟲。在他位於馬薩諸塞州梅德福的塔夫茨大學實驗室裡，每天有 20 只天蛾出生，特里默還 3D 列印了一些機器人天蛾。這些機械生物像真的一樣在實驗臺上蠕動，它們甚至可以複製毛毛蟲標誌性的逃生動作：這裡拉一下，那裡拽一下機器人的內部“肌肉”，機器就會猛地變成一個圓圈，然後滾走。特里默是《軟機器人》雜誌的主編，他希望這種廣泛的運動範圍有一天能使這種機器人成為應急響應人員的助手，他們可以快速穿越碎片區域，並在瓦礫中挖掘以定位災難倖存者。
與此同時，懷特塞茲正在率先開發由空氣驅動的機器人——其中包括一系列受海星啟發的聚合物基裝置。每個肢體都由一個內部的口袋和通道網路組成，夾在兩種不同彈性的材料之間。當研究人員將空氣泵入機器人的不同部位時，手臂（或腿或手指）會不對稱地膨脹和捲曲。懷特塞茲的團隊甚至製造出一種可以在鋼琴上演奏《瑪麗有隻小綿羊》的裝置。該團隊的四足創作之一已經掌握了機器人障礙賽：當機器朝一個淨空約為 2 釐米的抬高隔板蹣跚而行時，該機器會掉下來並在下方滑行，這證明了軟機器人在應對複雜地形方面的潛力。
搶佔市場份額
儘管大多數軟機器人仍留在實驗室中，但懷特塞茲的一些作品正在冒險進入市場，以滿足工業界對熟練機器人手的需求。傳統的夾爪需要有關物體的位置、形狀、重量和光滑度等因素的詳細資訊，才能正確移動其每個關節。一個系統可能專門用於處理洗髮水瓶，而另一個系統僅拾取兒童玩具，還需要另一個系統來抓取 T 恤。但是，隨著製造商更新其產品線，以及電子商務倉庫處理越來越多的各種物體，這些公司需要為每種不同的用途更換定製的夾爪和更新的控制演算法——通常會花費大量成本和時間。
相比之下，主要由柔軟、可伸縮材料製成的夾爪可以包裹並貼合不同形狀和尺寸的物體。Soft Robotics 是一家位於馬薩諸塞州劍橋市的初創公司，於 2013 年從懷特塞茲的研究中脫穎而出，已籌集約 450 萬美元用於開發一系列橡膠機器人爪。“我們不使用力感測器，不使用反饋系統，我們也不做太多規劃，”該公司執行長卡爾·沃斯說。“我們只是去抓取物體”，擠壓直到抓地力牢固。
這些爪子完全由彈性聚合物製成，當空氣透過其內部通道泵入時會捲曲。剛性機器人手必須仔細計算每個手指的運動，而新型夾爪的柔軟性使其能夠沿著或圍繞物體表面拖動或變形，直到抓住物體，而不會造成損壞。它甚至可以採摘蘑菇和成熟的草莓，以及藤蔓上的飽滿西紅柿——這些任務歷來都需要人類工人的精細觸感。Soft Robotics 於 2015 年 6 月釋出了其首款可供銷售的夾爪，並且正在與六家參與包裝和食品處理的客戶公司進行試點專案。
鄰近波士頓的 Empire Robotics 採取了一種截然不同的方法，透過銷售一種類似於軟綿綿的壓力球的機器人“手”來開拓市場。球體內部的沙狀顆粒最初可以自由流動，使其在牢牢壓入物體時變形。然後，一個閥門將球體內的空氣吸出，使內部的顆粒相互緊緊擠壓，導致球體變硬其抓地力。基於伊利諾伊州芝加哥大學的海因裡希·耶格和紐約州伊薩卡康奈爾大學的霍德·利普森的研究，“Versaball”可以在大約十分之一秒內拾取物體，並提起高達約 9 公斤的物體。
位置感
隨著機器人章魚、毛毛蟲、海星和其他柔韌機器的問世，一些科學家開始專注於更好地控制這些裝置的動作。“我們談論的是鬆軟、彈性的材料，”克萊默說。“當一側的東西移動時，你不太確定機器的其餘部分會最終停在哪裡。”這就是為什麼許多應用可能需要額外的感測器來監測運動。然而，傳統的位移和力感測器——剛性或半剛性電子元件——並非總是能很好地與經歷極端形狀變化的軟機器人配合使用。
像樸永來這樣的工程師正在透過開發可拉伸的電子感測器來解決這個問題。在賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內基梅隆大學，樸永來致力於研究橡膠貼片，其中包含夾在矽橡膠片之間的液態金屬電路。這些液態電路以各種圖案（包括螺旋形和條紋）澆注，可以定製用於感應裝置何時被擠壓或拉伸，以及在哪個方向上被擠壓或拉伸。
“可拉伸感測器可以像皮膚一樣靈敏，具體取決於您的設計方式。您可以調整它們以響應手指的輕微拂動或 30 磅的重量，”康奈爾大學的機械工程師羅伯特·謝潑德說，他開發了將拉伸敏感“皮膚”直接 3D 列印到軟機器人上的方法。導電和絕緣材料的交替層在受到推動或拉動時會產生電訊號。
可拉伸感測器可能在日益增長的可穿戴機器人領域發揮重要作用。在美國軍方的資助下，哈佛大學的康納·沃爾什多年來一直在開發和改進士兵用軟“外骨骼服”——一種比早期“鋼鐵俠”式外骨骼更舒適的類似物，旨在幫助戰士在長距離內攜帶重物。使用者仍然可以感覺到該裝置在輔助他們的運動，但在套裝中行走感覺“非常自然”，沃爾什說——這是對傳統外骨骼的重大改進。沃爾什的套裝沒有笨重、剛性的外殼，而是使用了由尼龍、滌綸和氨綸製成的帶子，策略性地放置在腿部。少量位置和加速度感測器（目前是標準的剛性裝置）有助於監測佩戴者的步態，並在最佳時間提供輔助。沃爾什說，下一步是整合可拉伸感測器，以獲得更柔軟、更舒適的體驗。
與此同時，克萊默創造了一種響應電流而移動的機器人織物。當受到刺激時，這種用形狀記憶合金線圈縫製的細布可以縮短長度達 60%。智慧“線”會跟蹤織物的運動；克萊默編織了填充有液態金屬的拉伸敏感矽膠絲。這種概念有一天可以用於袖子或袖口，以幫助受傷或老年人移動。克萊默還希望這種材料可以用於在太空組裝機器人。例如，宇航員可以簡單地將活性皮膚披在一塊泡沫上，以將其變成一個工作機器人。
但在軟機器人飛向太空之前，必須在地面上完成大量基礎工作。關於柔軟材料如何響應外力變形，以及運動如何在柔軟質量中傳播，人們知之甚少。此外，大多數軟機器人仍然連線或束縛到硬能源，例如電池或壓縮空氣罐。一些研究人員已經在關注軟機器人的生化或可再生能源的潛力。
4 月份的 RoboSoft 挑戰賽可能有助於促進發展。在那裡，參賽作品將接受測試：挑戰包括在沙坑中賽跑、透過把手開門、抓取許多神秘物體以及避開水下脆弱的障礙物。拉斯基說，目標是證明軟機器人可以完成硬機器人可以完成的某些任務，以及其他硬機器人無法完成的任務。
“我不認為軟機器人會取代傳統機器人，但在未來，這將是兩者的結合，”拉斯基說。許多研究人員認為，在需要強大力量、速度或精度的工作中，剛性機器人可能會保持其優越性。但是，對於越來越多的涉及與人密切互動或其他不可預測情況的應用，軟機器人可能會找到一個利基市場。
例如，在倫敦國王學院，拉斯基的合作者正在基於她的觸手技術開發一種外科內窺鏡。她的義大利團隊正在開發一種全身機器人章魚，它透過流體推進游泳，有一天可以用於水下研究和探索。原型已經在她的實驗室的罐子裡靜靜地跳動，而真正的章魚則在外面鹹鹹的海水中游動。
“當我開始研究章魚時，人們問我它是做什麼用的，”拉斯基說。“我說，‘我不知道，但我確信如果它成功了，可能會有很多很多應用’。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 2 月 3 日首次發表。