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机械章鱼能像真正的章鱼那样移动。图片来源：Science Museum

2007年，Cecilia Laschi让父亲为其在意大利里窝那市的海滨实验室抓一只活章鱼。后者以为Laschi疯了：作为消遣性的钓鱼人，他认为章鱼是如此容易被抓住，因此这肯定是一种非常愚蠢的动物。那么，一名同金属和微处理器打交道的机器人学研究者到底想用这种柔软黏糊的头足类动物干什么？

不管怎样，这位老人还是在托斯卡纳海岸抓了一只章鱼，并把它交给在比萨圣安娜高等学校工作的女儿。Laschi和学生将这只动物放在一个盐水水箱中，从而研究它是如何抓到零碎的鳀鱼和螃蟹的。随后，该团队着手建造能模拟这些动作的机器人。

通过一个个原型，他们终于创建了一个带有内部弹簧和电线的人造触手。该设备能以一种活灵活现的方式呈现波浪形状、伸长、收缩、变硬和弯曲。“这是一种完全不同的机器人建造方法。”Laschi说。

过去10年间，这种方法已成为机器人学的重要研究前沿。该领域的科学家和工程师通常受到拥有坚硬骨骼的人类和其他动物的启发，一直致力于研究硬体机器人。这些机器拥有只能围着固定关节弯曲和变直的僵硬四肢，因此其具备的优点是能以数学上可预测的方式移动。不过，它们还要求一丝不苟的程序编写和大量的反馈，以避免撞向其他物体。即便这样，在同人类、新物体打交道，或者处于崎岖的山路和其他无法预测的情形中时，它们的移动也经常变得不稳定，甚至带来危险。

受章鱼、毛毛虫或鱼类等灵活性动物启发而建造的机器人提供了一种解决方法。主要由柔韧或弹性材料建造的柔软机器人能自己改变形状，以适应周围环境，而不需要大量（并且通常不完美）的计算。尽管一些此类机器利用电线或弹簧模拟肌肉和筋腱，但总体上，柔软机器人放弃了定义此前一代机器人的骨骼。这些机器没有像骨头或关节之类的部件，能以全新的方式伸展、蜷缩和挤压。它们可改变形状或大小，环绕物体，甚至比以往任何时候都能更加安全地碰触人类。

顺畅地移动

如今，全球数百万台工业机器人均源自同一种基本构想。这些由金属结合在一起的机器利用其沉重而僵硬的四肢，在汽车组装线和工业产房中承担着繁重的体力劳动。其速度、力量和盲目的重复都是人类难以企及的。不过，标准机器人要求专业的编程、受到严格控制的条件以及对自身移动的持续反馈，从而精确地知晓何时以及如何移动它们诸多关节中的每一个。同时，它们无法胜任超出编程参数的任务，并且会在无法预测的环境中完全不起作用。大多数机器人必须呆在栅栏后面，以保护它们的人类工友免受无意的伤害。

“想象一下系鞋带有多难。”美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室主任Daniela Rus介绍说，“这种能力正是我们想让机器人具备的。”

过去10年间，这一愿望触发了日益增加的兴趣，即研发能处理有着高精度要求或不可预测情形并直接同人类合作的更轻、更廉价机器人。包括Laschi在内的一些机器人专家认为，柔软材料和生物启发性设计能提供答案。

Laschi说，这种想法起初很难让人接受。“刚开始，非常传统的机器人学会议并不想接收我的论文。”她说，“但如今已有专门针对这个主题的完整会议。”帮助激发起兴趣的是在高分子科学领域取得的最新进展，尤其是铸造、模塑或3D打印聚合物形成自定义绘图物体技术的开发。这使得机器人专家能更加自由、迅速地尝试制造各种柔软的形式。

结果是，目前已有30多家机构加入于2013年启动的软机器人协作组织。第二年则见证了专业期刊——《软机器人技术》的推出，以及被称为“软机器人技术工具箱”的开放获取资源的上线。后者是一个由爱尔兰都柏林圣三一学院和哈佛大学研究人员开发的网站，能让研究者和业余爱好者共享技巧，并找到可供下载的设计和其他信息。

抓住市场份额

尽管大多数机器人仍呆在实验室里，但哈佛大学软机器人技术研究者、化学家George Whitesides创造的一些机器人正冒险“出门”，满足工业界对灵巧机器手的需求。传统抓手需要关于物体位置、形状、重量和轻滑度等因素的详细信息，以便准确地移动每个关节。一种系统或许能专门对付洗发水瓶，另一种只能捡起小孩的玩具，其他系统则需要用于抓住T恤衫。不过，随着制造商更新其产品线，以及电子商务仓库要处理种类日益增多的物品，这些公司需要换上定制的抓手，并且为每种不同的应用更新控制算法。这通常需要很大的成本并耽搁时间。

相反，主要由柔软和弹性材料建造的抓手能包裹并适应不同形状和尺寸的物体。位于马萨诸塞州剑桥市的初创公司——软机器人技术于2013年从Whitesides的研究中分离出来，目前已筹集到约450万美元用于开发弹力机械爪生产线。

这些机械爪全部由弹性聚合物制成，当空气通过其内部通道时便会弯曲。僵硬的机器手必须仔细计算每个手指的移动，新抓手的柔软度则能使其围着物体表面变形，直到紧紧抓住物体，而不会造成任何损害。它甚至能捡起蘑菇、收获草莓，并将西红柿从藤上摘下来。传统上，这些任务均要求工人小心的碰触。软机器人技术公司在2015年6月发布了首个用于售卖的抓手，目前则正在同涉及包装和食物处理的6家客户公司运行试验程序。

对位置的感知

随着机械章鱼、毛毛虫、海星和其他延展性机器的出现，一些科学家开始聚焦控制这些设备行动的更好方法。“我们讨论的是松软、有弹性的材料。”印第安纳州普渡大学机械工程师Rebecca Kramer介绍说，“当有东西在一边移动，你并不是很确定机器的其他部分将在哪里停止。”这便是为何很多应用可能需要额外的传感器监控移动。然而，传统的位置和力传感器——僵硬或半僵硬的电子元器件——未必总能和经历了极端形状改变的软机器人很好地“相处”。

诸如Yong-Lae Park等工程师正在通过研发可伸缩的电子传感器解决该问题。在卡耐基梅隆大学，Park致力于研究含有夹在硅橡胶片中间的液态金属电路的黏性贴片。这些液态电路以包括螺旋和条纹在内的各种模式浇筑成型，从而通过定制感知设备何时以及朝哪个方向被挤压或拉伸。

“可伸缩传感器能和皮肤一样敏感，这取决于你如何设计它们。你可以将它们调整到对手指轻微擦过或一个重30磅的物体作出反应。”康奈尔大学机械工程师Robert Shepherd表示。他开发出一种方法，可直接在软机器人上3D打印对拉伸敏感的“皮肤”。

可伸缩传感器在迅速发展的可穿戴机器人学领域扮演着重要角色。在美国军方的资助下，来自哈佛大学的Conor Walsh花费数年研发并改良了一种为士兵打造的软机械护甲。它很柔软，类似于较早的“铁人”外骨骼，旨在帮助士兵长距离搬运沉重的载荷。Walsh介绍说，用户仍能感觉到有设备在帮助他们移动，但穿着这种衣服行走会感觉“非常自然”。这是对传统外骨骼的一个较大改进。Walsh的衣服利用了由尼龙、聚合物和氨纶制成并且策略性地沿腿部放置的带子，而不是笨重且僵硬的套子。一些位置和加速度传感器——目前还是标准的僵硬设备——能帮助监控穿戴者的步态，并在关键时刻提供帮助。Walsh表示，下一步是将可伸缩传感器包括进来，从而产生更柔软、更舒适的体验。（宗华）

《中国科学报》 (2016-02-15 第3版 国际)