软体机器人技术发展路线探寻

随着机器人应用领域的不断扩大，医疗保健、复杂地形勘探等特殊领域对机器人提出了更加苛刻的要求，在非结构化环境下使用的特殊机器人成为科学界研究的重点方向。本文通过分析软体机器人的发展历程，聚焦其在材料运用、驱动方式、应用前景等方面的发展状况，展望软体机器人技术的未来发展方向。

近年来，机器人的发展一直集中于学术界、企业界以及公众界的兴趣和大量资金的推动，同时各国政府也制定了相应的发展路线图。美国十多年来持续研究和更新机器人的发展路线图，路线图中也提到了很多问题，比较突出的有两个问题：第一，机械手的灵巧性和操作性；第二，新型机械手或其它机器人如何能够更接近人的操作性能和功能。这两个问题在之前更新的路线图中都有涉及，并且也阐释了其发展方向。但是随着时间的推移，我们可以看到，现在机械手及机器人的发展方向仍然不明确。

刚体机器人在过去几十年里一直被作为主要研究路线，这种机器人研究体系已经十分成熟，其中工业机器人的应用也得到了全面的发展和推广。按照同样的方式做与人体互动的机器人，或做用于特殊环境下的机器人，我们发现做出来的机器人并不完全适用。例如做辅助人走路或提高行动能力的机器人，这类机器人属于体积较大的刚体机器人类型，存在明显的局限性。

从学术和应用的角度回顾过去机器人的发展，尤其是工业机器人得到了长足的发展，它所依赖的是系统性的技术，主要是刚体机器人整个技术体系。通过机械原理构建一个机器，这个机器能够运动，再从刚体理论中把刚体去掉，换成真正的结构性材料，再把动力和驱动装置放进去（基本上都是电机驱动），最终形成由传感到控制的完整系统，也就是机器人。

从运动学的角度来看，剛体运动学也就是机械原理，1876年一个德国的工程师就把它彻底理顺，然后写进《机械运动学》一书中。从蒸汽机发明以后，机器人的发展都是依赖于刚体运动学的基础，然后把驱动、传感和控制完全建立起来，最终形成了一个系统，使得今天有各式各样的自动化机器，包括汽车和火车，以及工业机器人，都建立在系统地做机器研究或者机器理论上，这套理论已经非常成熟了。

软体机器人会有更自然的人机交互体验

如果想让机器人做更多的事情，尤其是和环境、和人体进行互动，我们就会发现一个严峻的问题，也就是这些刚体在马达的驱动下惯性非常大，接触到外界就会发生很强烈的冲击，可能会造成不安全，刚体和软体的环境互动也不是那么容易控制。因而，很难用传统的刚体机器人做出新一类超出工业机器人需求的机器人。

我们希望机器人能够和环境、和人直接互动，这种需求会给人类带来很大的帮助，包括康复、协助老人，或者是穿戴方面，也希望能够有传感功能，机器人能够直接通信，但是刚体交互性并不好，而且马达驱动工作时，控制好马达以得到柔性的驱动及互动很难，因为马达的功率一般都很大，现在还达不到低功率的柔性控制。

我们在思考能否找到其它方式进行交互时，自然会想到人体。人体虽然有骨骼结构，但外面有软体也就是肌肉，更重要的是有肌肉和皮肤作为和外界互动最主要的界面，而不是骨头直接和外面互动。我们想改变刚体机器框架，换成通过不同的材料来做新的机器人，也就是用软体材料，软体互动性能就会好得多，用软体做出新的机器人可能会带来新的应用领域。

从人体角度来看，肌肉的弹性系数基本上和橡胶硅差不多，如果用橡胶硅来做软体机器人，从弹性的角度来看应该和人体差不多，于是我们开始尝试用软塑料一类的材料来做机器人，软体机器人就此开始变成一种新的形式。实际上这项研究还是相对比较新的，直到2012年左右，美国有几位教授用气枪为塑胶通气，能够做出爬、跳等动作的软体机器人，可以做到我们所要的软体机器人性能。有了这些具有前沿性、探索性的工作后，大家开始清楚了解到软体机器人广阔的市场前景，例如可以用来做医疗机器人、穿戴机器人和机器人玩具。

当然，我们还需要其它技术。比如传感技术和驱动技术，需要柔性的传感驱动，也需要柔性的驱动器。柔性传感的材料已经有人做过一些研究，但做柔性驱动器就不是那么容易了。现在市场上大家有很多的猜想，比如飞机的机翼不是现在的固定机翼，而是柔性的、可变形的机翼，如果做得好的话，相对空气动力学性能会更好，所以也会有更多其它的用处。随着3D打印技术的兴起，有可能出现更复杂的软体机器人材料。

软体机器人发展的关键问题

软体机器人的发展需要仔细考虑几个问题：1）从学术的角度来看，既然做软体机器人就需要软体，或者柔性互动的本体，里面可能有刚体，也有可能就像人一样有骨骼，刚体之间也有可能产生运动，我们在其中加入铰链。2）软体当中可以加入一些分布性的驱动器和传感器，因为有分布性的软体，如果有分布性的驱动和传感，柔性机器人的性能就会变得更好。3）只有刚体骨架作为传感，外面的软体是被动的皮肤和肌肉，互动的性能可能会低。

总体来讲，从学术角度看，我们要把软体机器人看作人一样的结构，其中就会出现很多问题，比如怎样做这些东西，最终还要看它能够带来什么样的功能和性能。我们需要知道它的运动是手还是脚或者是车，要看最终结构做成什么样子。如果是一个手我们就需要设计手指，让手指抓取物质，如果是一个驱动就要做成脚。软体的部分需要包含在机器人的设计、传感和控制整体的框架当中，现在基本上没有很好的运动学理论，实际应用中仍然是把刚体运动学搬到柔性体当中。

我们需要从最基础的角度来看软体机器人，主要有三个大的问题：1）如何定义柔体系统的运动？机器人毕竟是要做运动的，刚体运动学通过机械原理可以解决，软体现在还没有。2）如何设计/控制柔性系统。我们不可能用铰链和传感，如何从软体机器人当中产生运动，以及更复杂的是怎么控制运动。控制便成了非常麻烦的事情，因为有无穷多的自由度，要看怎么驱动软体机器人系统，最终怎么做到很好的控制。3）柔性系统制造的材料问题。今天我们遇到最主要的问题就是软体机器人的材料的问题，材料给了我们很大的局限性，我们没有很好的软体材料真正来做最终想要做的软体结构。

软体机器人和固体力学结合，但从固体力学当中我们又想得到运动和原理，比如机械设计。反向运动就是怎么反过来控制结构，最终产生想要得到的运动学。

在软体机器人系统中，如果有了软体机器人的结构，需要有设计方法，然后要有模型，产生动态方程，最终可能有局限性的传感，不是每个自由度都有传感，然后用传感系统来做控制，从而产生控制系统。其中最难的是要看什么设计、什么架构能够产生人类需要的软体机器人，软体机器人需要完成什么任务，怎么去实现这些任务，因而需要做运动规划或任务规划，然后再加上具体的动态系统，产生合适的控制，最终才能设计出实用的软体机器人。

理论上来讲，需要解决的就是这样几个问题，但实际操作起来就不是那么容易了。不过在虚拟空间中解决了这些问题。研究计算机图形的工程师已经想到了这些问题，并做出了一个虚拟的软体机器人，它的性能完全是你需要的。其中，上面是一块很软的材料，下面有四条腿，如果有理想的驱动器就能实现跳动。

这个软体机器人在虚拟环境当中完全能够实现平衡和跳动，以及做各种其它动作。从仿真角度来讲，理想系统中的软体机器人已经实现了。但是模型是理想的模型，材料可能是线性的或非线性的，驱动能够产生力，控制系统当中的控制方程和控制方法都解决了，加上仿生设计和运动规划、任务规划都是用传统的机器人设计方法解决的，这种理想的、模拟的图形学软体机器人并没有变成现实。变成现实仍需要找到材料、驱动器和传感器，都要和模型完全匹配，这在现在来说仍然无法实现。

虽然软体机器人在医疗、国防和急救领域有需求，但是真正最大的市场还是玩具市场，而且对行业最感兴趣的是迪士尼公司，迪士尼公司投入了很多资金，但仍然很难实现。要找到一个合适的非线性模型，能够把这些软体材料描述得很确切很难；如果非线性更强的话，做控制和其它设计也很难。现在的软体机器人是百花齐放，各式各样的系统和软体机器人都有人在做，包括电驱动的、用硅胶的，还有塑料材料和3D打印，大家一般都是通过经验和对刚体机器人设计方法的模拟，以此产生自己的设计来进行实验。实验的时候可能会有一两个动作，比如抓水杯、抓苹果、抓铅笔，然后就成为了机械手。这样的机械手局限性很大，材料的性能也非常不好。

现在大家非常期待的是通过3D打印来寻找适用于软体机器人的材料。3D打印的迅速发展给我们带来了一些机遇，我们可以把不同性能的材料混合起来使用，最终通过3D打印得到比较复杂的柔性系统（例如机械手指和机械腿）。我们做的3D打印的手指可以用来抓苹果、抓鸡蛋、抓豆腐，但真正用起来就会有严重的问题。这种利用3D打印实现的柔性手指很柔软，抓起物体快速移动时，发现手指会抖动，也就是没有刚性。又要柔又要刚，这种性能在柔性机构或者机器人中还是非常有限的，这也是一个比较严峻的问题。

平常机器人用的基本都是马达、气动或液压，因为这是传统大功率机器的驱动动力，要是应用到软体机器人的话，我们自然希望用軟体的材料作为驱动器。最关键的软体材料就是压电塑性材料，这类材料有点像硅胶，通电后会扩展和延伸，例如，最简单的驱动器就是做一个气球，气球加了气压后会膨胀，膨胀会带来动能，也就被认为可以作为驱动器。

原来的想法就是把这些驱动器做得很好，然后分布性地放到软体机器人结构，每个驱动器都可以独立控制，这样就有分布性的控制来做驱动，性能也会好得多，但是做起来很不容易。目前的做法就是做成一个队列，驱动的时候会产生一些波，最终可能会带来各种效果，我们做的就是类似踢足球的东西。通过这种驱动器做到最好也不过如此了，至多是驱动一条很小的鱼的尾巴，抖动大概有4～5赫兹，频率也不会太高，力也不会太大，无非就是变形比较大。

现在行业当中对软体机器人来讲，驱动材料也是很大的瓶颈，气驱动、液体驱动和压电驱动效果都不是很好，怎么才能有很好的驱动器来帮助软体机器人的发展，这也是个很严峻的问题。

软体机器人的发展实际上就是三大问题：机械运动原理、刚性结构、驱动和反馈，最终要有理论帮助设计，还要有理论帮助来做任务规划和路径规划。因为材料有严重的局限性，驱动的可行性太小，设计的方法基本上没有，所以现在大家能够做的就是做案例分享，想到好的办法就做好拿出来给大家看，把可行性向前推进一步。慢慢的这些成功的案例和经验能够融合在一起，使得软体机器人在理论上有所发展。更重要的是要有适合做软体机器人的材料，包括压电材料和其它材料，还有需要提供很好的空间，适合软体机器人发展。

（本文根据“2018世界机器人大会”现场演讲整理而成，未经演讲人审阅。）