“以柔克剛”的軟體機器人了解一下

試想一下，如果讓“軟軟的機器人”為病人做手術是一種怎樣的感受呢？如今，在超微創手術領域，軟體機器人（又稱柔軟機器人）已經開始發揮自己的作用了。

目前，美國哈佛大學和波士頓兒童醫院的研究人員合作開發出一種軟體機械裝置，可在不與血液接觸的情況下幫助心髒跳動泵血。這種可定製的柔性設備，或催生出新的心力衰竭治療方案，對於心衰患者來說是一個福音。

軟體機器人的商用化無疑改變著人們對於機器人的傳統認知，從一如鋼鐵模樣的“壯漢”到柔軟如初的“萌妹子”，軟體機器人讓機器人市場更加豐富多元。

“硬”還是“軟”，這是一個問題

工業流水線上的機器人、掃地機器人、烹飪機器人，這些機器人在人們的印象中，都是機械化、缺少人體肢體動作的靈活性等基本印象，他們太“硬”了，這也是為了適應自身的驅動方式。目前，主流機器人都是機械驅動的，以電動機為動力源，通過電動機的轉動，把能量輸送給齒輪和連杆，然後齒輪和連杆帶動機器人運動。

用電動機、齒輪和連杆驅動機器人，其首先需要承受得住各種驅動連杆帶來的外力，因此他們需要十分硬實的基礎結構。如果利用連杆驅動的機器人是軟體的，齒輪一轉， 連杆一搖，它立即就會被絞變形。對於軟體機器人來說，其一般難以承受連杆傳輸的機械動力，因而含有電動機、齒輪、連杆的機器人，大都是些鋼鐵機械構件。

因此，機械驅動機器人更多完成較為機械簡單的任務，難以完成精細任務。比如連杆驅動的機器人能夾起杯子，卻難握住杯子，讓它握住一枚繡花針就更難了。

“夾”與“握”有著本質性的區別，“夾“是低級的機械動作，“握”是具有人手功能的精細動作，從夾到握其實是普通機器人到軟體機器人的技術跨越。

軟體機器人模仿於自然界的許多軟體動物，由可以承受大應變的柔軟材料製成，且具有多自由度和連續變換的能力，可在大範圍內任意改變自己身形和尺寸。因為主動變形與被動變形能力的結合，機器人可以擠過比自身常態尺寸小的縫隙，進入傳統機器人無法進入的太空。

?“七十二變”如何以柔克剛

軟體機器人發展至今，主要的結構類型可以分為三類：靜水骨骼型、肌肉型靜水骨骼型以及其他結構。

大部分軟體動物(如蠕蟲、海葵)沒有剛性骨骼，而是由表皮、肌肉、體液、神經系統組成。其典型結構是肌肉構成封閉腔，內部充滿體液，形成靜水骨骼結構，典型的是仿毛蟲軟體機器人和Blob bot。

典型的肌肉性靜水骨骼結構由相互對抗的橫肌和縱肌組成，當橫肌收縮時身體向縱向伸展；當縱肌收縮時，身體向橫向伸展，體積始終保持不變。動物的舌頭、大象鼻子、章魚觸手都是肌肉性靜水骨骼結構。而其他結構主要為氣動運動鏈和蠕動跳躍機器人。

在具體應用層面，由哈佛大學研製的名為“Octobot”的軟體機器人，自帶運動燃料，可通過調控內部氣體實現自主運動，既不需要連接電腦獲取指令，也不包含任何電子元件，因而具有著柔軟的身體。

與普通機器人相比，軟體機器人可通過內部化學物質實現顏色可變發光，並可通過充氣增壓和通道膨脹實現快速移動。當前的研究情況表明，軟體機器人可在 30 秒內迅速變身，一旦完成顏色轉換， 顏色層就不再需要動力來維持色彩，移動到特定位置後常常與背景難以區分，形成真正的“七十二變”。同時，一些軟體機器人在設計之初就巧妙參照了仿生模型外觀，利用3D列印工藝製造能夠“以假亂真“，肉眼難以分辨。

醫療軍事領域稱軟體機器人“發力點”

從目前來看，軟體機器人的落地商業場景主要是醫療和軍用場景。智能相對論分析師柯鳴認為，目前軟體機器人的發展前景是相當可期的，學術界也正在如火如荼的進行著此類研究，科學家們試圖創造一種不同於傳統機器人的新型機器人整體。

從軍事應用場景來看，軟體機器人確實大有發展太空。“以柔克剛”的自身體質可以讓機器人在收到外界衝擊和破壞時不易受損，這極大的增強了軟體機器人的存活能力。此外，由於不具備電子元件，軟體機器人在電磁偵察系統下容易躲避各類設備的追蹤。未來，加裝了特定武器的軟體機器人，可以更便利地承擔各類偵查任務，甚至可以在特定條件下給敵人以致命一擊。

在醫療領域，“人小鬼大”的軟機器人還可以成為醫生的優秀醫療助手。軟體自己人的硬度與柔軟度與人類皮膚和肌肉較為接近，因此可穿戴性和皮膚親和性較好。因此，作為假肢、人造外骨骼等可穿戴設備或用於模擬肌肉運動，軟機器人似乎成了一個最為優秀的人選。

在微創手術（MIS）領域，軟體機器人更是有著極大的“用武之地”。軟體機器人的應用，可以突破傳統微創外科手術方法的局限，比如，自由度低的手術設備對手術造成的局限。倫敦大學研製出剛度可控的章魚狀外科手術機器人手臂，其應用仿生原理，根據手臂機械性能的需要通過控制機械手臂的剛度更好地配合手術進行，柔軟的材質將手術的傷害降到最低。

進入市場，軟體機器人的壁壘在哪裡？

誠然，軟體機器人作為新事物，其發展後勁十足，但是智能相對論分析師柯鳴認為，綜合其市場化過程來看，其依然有著自身的壁壘。

首先，理論上，軟體機器人可以實現無限自由度的運動，然而在實際操作過程中，這種相對於傳統機器人的優勢受限於驅動方式和製動器數量，想要精確控制機器人的運動，這需要大量的傳感器的資訊和數據反饋，這在實際應用過程中難以保證其實時性。

其次，軟體機器人醫療、軍事、養老以及勘測領域都有著重要作用和良好發展前景，但是其高昂的應用成本和生產成本極大限制了此類新技術的普及。為了實現商業上的可行性和實際生產生活中的應用，軟體機器人在其技術普及性和技術價格方面做出努力。

最後，可自帶燃料運動的軟體機器人“八爪怪”，主要依靠體內攜帶的雙氧水燃料進行供能，而一次攜帶的能量只能勉強支撐 4~8 分鐘的運動。同時，現有的軟體機器人自主轉向能力幾乎為零，急需加裝額外傳感器實現對障礙物的自動規避，這又涉及整個軟體機器人控制系統的優化設計。

當然，從目前來看，軟體機器人的設計方法還不成熟，如何平衡靈活性、承載能力和可靠性等指標還存在困難。為進行優化設計，需要建立精確的物理模型，而建立此模型又是一個具有挑戰性工作。

總之，軟體機器人在我國製造業水準不斷提升的當下，其也正準備迎來快速增長期，其也極有可能成為中國下一個經濟增長點，隨著軟體機器人在商業及各行業的落地，中國的軟機器人行業將大有可為。（本文首發鈦媒體）

【鈦媒體作者：智能相對論（微信id:aixdlun），?文/?柯鳴】

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