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機(jī)器人都是冷冰冰的“鋼鐵直男”?柔性機(jī)器人了

說(shuō)起機(jī)器人，大家可能想到的是科幻世界或者電影里面的機(jī)器人，也可能是知名的波士頓動(dòng)力，或者是Google旗下的Atlas，甚至是新聞機(jī)器人主播。但是你知道柔性機(jī)器人嗎? 這個(gè)時(shí)候有人可能就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)號(hào)臉：機(jī)器人不都是冷冰冰的“鋼鐵直男”?還有柔軟的機(jī)器人?怕不是我對(duì)機(jī)器人有什么誤解? 實(shí)際上，機(jī)器人的研發(fā)是為了協(xié)助或取代人類(lèi)進(jìn)行危險(xiǎn)的工作，目前大部分的機(jī)器人都還是硬邦邦的“硬漢”形象。人們也在拓展自己的想象和創(chuàng)造力，去開(kāi)發(fā)像“大白”一樣軟萌的機(jī)器人。這種利用柔軟材料來(lái)制作的機(jī)器人，被稱(chēng)為柔性機(jī)器人，在研究領(lǐng)域頗受關(guān)注。但由于現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的是機(jī)械類(lèi)機(jī)器人，加之絕大部分的軟體機(jī)器人都處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用上還有待開(kāi)發(fā)。因此公眾對(duì)柔性機(jī)器人知之甚少也是情有可原。不過(guò)從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，柔性機(jī)器人未來(lái)絕對(duì)大有可為。柔性機(jī)器人柔性機(jī)器人通常是利用軟體材料制成，憑借其在機(jī)體上柔性的優(yōu)勢(shì)，在場(chǎng)景上也更加靈活。它可以更好適應(yīng)各種環(huán)境，受到外界沖擊后也不會(huì)產(chǎn)生大的傷害，在空間狹小、非結(jié)構(gòu)下的環(huán)境下都可以完成復(fù)雜的任務(wù)，例如醫(yī)療、軍事及探測(cè)領(lǐng)域。科學(xué)家們一般從自然界汲取靈感，創(chuàng)造出遠(yuǎn)比那些傳統(tǒng)的金屬制同類(lèi)更加靈活和多功能的機(jī)器人。我國(guó)現(xiàn)有的柔性機(jī)器人共分為兩種，一種是應(yīng)用于工業(yè)制造的的工業(yè)柔性機(jī)器人;另一種是應(yīng)用于仿生機(jī)器人的生物柔性機(jī)器人，也叫做軟體機(jī)器人。目前來(lái)看，工業(yè)柔性機(jī)器人在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用更為廣泛。而生物柔性機(jī)器人的研究范圍更廣。工業(yè)柔性機(jī)器人：從制造業(yè)的角度來(lái)講，柔性機(jī)器人是指運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的六軸以上的工業(yè)機(jī)器人，比如工業(yè)上使用的機(jī)器人手臂。德國(guó)一家自動(dòng)化公司曾開(kāi)發(fā)出了一款可抓取異形物體的柔性?shī)A具。相對(duì)于功能比較單一的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人來(lái)講，工業(yè)柔性機(jī)器人借助于相機(jī)，光源，圖像采集卡，視覺(jué)軟件等機(jī)器感知部件，通過(guò)圖像采集，圖像處理，運(yùn)動(dòng)控制來(lái)完成一系列復(fù)雜的動(dòng)作。正是由于近幾年視覺(jué)機(jī)器的快速發(fā)展，才讓柔性機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域大限神威目前已經(jīng)形成FMS系統(tǒng)。生物柔性機(jī)器人：從生物學(xué)角度來(lái)講，柔性機(jī)器人是指模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生機(jī)器人。比如毛毛蟲(chóng)機(jī)器人，它們“柔若無(wú)骨”。與傳統(tǒng)“剛性”機(jī)器人相比，柔性機(jī)器人通常： 1. 它的模型大多來(lái)自于自然界的軟體生物，如機(jī)器蛇、海洋水生動(dòng)物機(jī)器人等。 2. 機(jī)器人材料的選擇主要是柔性的材料，而不是傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼，這種材料帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是可用最簡(jiǎn)單的方法——3D打印的方式來(lái)制作，非常節(jié)約時(shí)間和成本。 3. 在驅(qū)動(dòng)方式方面，目前的研究機(jī)構(gòu)主要有兩個(gè)方向：第一個(gè)方法是模仿人或者動(dòng)物的肌肉的運(yùn)動(dòng)原理，第二種就是利用環(huán)境的變化來(lái)獲取動(dòng)力，比如溫度、空氣以及光照等方式。千奇百怪的柔性機(jī)器人從2011年開(kāi)始，研究員們更是在軟體機(jī)器人的研究上樂(lè)此不疲，推出的研究成品也讓人拍手叫絕，毛毛蟲(chóng)機(jī)器人、蠕蟲(chóng)機(jī)器人、章魚(yú)機(jī)器人等仿生的機(jī)器人，甚至還有微型軟管機(jī)器人，可以說(shuō)只有你想不到的軟體機(jī)器人，沒(méi)有他們研究不出的機(jī)器人。 1. “毛毛蟲(chóng)”機(jī)器人美國(guó)塔夫茨大學(xué)在軟體機(jī)器人上的研究較早，他們?cè)?007年就開(kāi)始啟動(dòng)一項(xiàng)計(jì)劃，設(shè)計(jì)一款具有電子原價(jià)和線路的“毛毛蟲(chóng)”機(jī)器人。毛毛蟲(chóng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷是，使其可替代人通過(guò)危險(xiǎn)的區(qū)域，如核反應(yīng)堆、雷場(chǎng)或是替代人類(lèi)維修太空飛行器的太陽(yáng)能電池板。2011年，這款機(jī)器人終于面世了，研究員們?yōu)槠涿鸊oQBot，因其在運(yùn)動(dòng)時(shí)可將身體蜷縮成Q形，滾動(dòng)速度達(dá)每秒0.5米。 2. 網(wǎng)眼蠕蟲(chóng)機(jī)器人 “網(wǎng)眼蠕蟲(chóng)”又名：“人造肌肉”是由美國(guó)麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出一種模仿蠕動(dòng)機(jī)制的機(jī)器人。由于組成它身體的彈性管子是網(wǎng)眼狀，于是科學(xué)家給它取名“網(wǎng)眼蠕蟲(chóng)”機(jī)器人。這種機(jī)器人能夠通過(guò)收縮部分軀體，像蚯蚓一樣在表面上蠕動(dòng)?？膳肋M(jìn)微小的空間中拍攝視頻信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，成為一種高科技超級(jí)間諜機(jī)器，在無(wú)法察覺(jué)的地方竊取秘密圖像和視頻。這種幾乎全用軟材料制造的機(jī)器人有很強(qiáng)的彈力。即使被踩到或用鐵錘重?fù)?，它也不?huì)受傷，仍會(huì)繼續(xù)向前緩慢移動(dòng)。 3. 軟體機(jī)器魚(yú) 2014年美國(guó)發(fā)明了一款軟體機(jī)器魚(yú)，不僅防水，而且還能模擬快速游動(dòng)的魚(yú)類(lèi)。它由硅橡膠制成，能夠瞬間改變移動(dòng)方向，這是首個(gè)能夠快速移動(dòng)身體的獨(dú)立自控軟體機(jī)器人。機(jī)器魚(yú)通過(guò)釋放腹小罐的二氧化碳提供動(dòng)力，將通過(guò)波狀通道使機(jī)器魚(yú)尾發(fā)生彎曲，在二氧化碳罐耗盡之前機(jī)器魚(yú)能夠?qū)崿F(xiàn)30次游動(dòng)。 4. 可折疊機(jī)器人去年，MIT、謝菲爾德大學(xué)及東京工業(yè)大學(xué)共同研發(fā)出一種可折疊機(jī)器人。它能遇熱自動(dòng)伸展，可以作為醫(yī)用膠囊，通過(guò)外部的磁鐵控制其行動(dòng)方向，它可以爬進(jìn)胃里，將用戶誤吞食的電池取出，甚至修補(bǔ)人體內(nèi)的破洞。 5. 達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人美國(guó)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人是目前比較先進(jìn)成熟的柔性機(jī)器人。它由醫(yī)生控制系統(tǒng)，三維成像視頻影像平臺(tái)，機(jī)械臂攝影臂和手術(shù)器械組成移動(dòng)平臺(tái)三部分組成。實(shí)施手術(shù)時(shí)醫(yī)生不需要與病人接觸，通過(guò)三維視覺(jué)系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制，由機(jī)械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動(dòng)作和手術(shù)操作。 6. 會(huì)生長(zhǎng)的仿藤機(jī)器人研究人員開(kāi)發(fā)出一種全新的仿藤機(jī)器人，能夠在不移動(dòng)整個(gè)身體的情況下，長(zhǎng)距離生長(zhǎng)，并能蛇形蜿蜒。研究人員表示之所以研發(fā)出柔性機(jī)器人是受到自然的啟示。生物具有生長(zhǎng)的特性，無(wú)論是藤蔓、真菌還是人腦內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞，都能通過(guò)軟性延展來(lái)覆蓋距離，那么仿生裝置應(yīng)該也可以。這種柔性機(jī)器人設(shè)計(jì)允許在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中避開(kāi)障礙，這有望在管道和導(dǎo)管、醫(yī)療設(shè)備以及探索和搜救機(jī)器人中進(jìn)行導(dǎo)航。 7. 柔性納米機(jī)器人瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)的研究人員受細(xì)菌啟發(fā)，研發(fā)出一種可以在體液中游動(dòng)的柔性機(jī)器人，將來(lái)它或可把救命藥物送到你體內(nèi)難以到達(dá)的地方。這種機(jī)器人具有生物相容性，能夠根據(jù)需要改變形狀，并且可以在不影響速度的情況下通過(guò)狹窄的血管。柔性機(jī)器人研發(fā)難點(diǎn)、痛點(diǎn) 柔性機(jī)器人的發(fā)展目前還處于初級(jí)階段，未來(lái)有很長(zhǎng)的路要走，在這一過(guò)程中仍有許多難點(diǎn)需要克服，這些困難主要來(lái)自于新材料的研究與升級(jí)。工業(yè)柔性機(jī)器人為了保障其更高的柔性化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙的人機(jī)協(xié)作，確保最佳的安全性與適應(yīng)性，需要不斷提升對(duì)材料的升級(jí)應(yīng)用，通過(guò)3D打印等方式尋找新材料或是首要任務(wù)。而生物柔性機(jī)器人則面臨兩大主要難題，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)力，另一個(gè)也是材料。這里的材料有別于工業(yè)柔性機(jī)器人，著重體現(xiàn)在仿生中對(duì)皮膚和肌肉等構(gòu)造的打造。比起工業(yè)柔性機(jī)器人，生物柔性機(jī)器人在材料方面的開(kāi)發(fā)更加困難。其次在驅(qū)動(dòng)方式上，從材料的組成可以看出其實(shí)大部分還是通過(guò)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，相比于其他驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器擁有變形大、能量密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、價(jià)格低和噪音小的特性。但是這種驅(qū)動(dòng)方式也有很大的隱患，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度控制上有難度，另一方面，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)影響它在一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。雖然應(yīng)用前景廣泛，但目前還在紙上談兵階段盡管柔性機(jī)器人的研究難點(diǎn)很多，但它也是許多高校實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一大重點(diǎn)，因?yàn)閺膶?shí)用性來(lái)考量的話，這種柔性機(jī)器人非常適合一些“極端”的場(chǎng)景下，比如受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援：它可以進(jìn)入到一些危險(xiǎn)、狹小的地方;還有海底探索上，柔性機(jī)器人可以潛入到像珊瑚礁這樣的海底生物內(nèi)，在不傷害它們的同時(shí)去探索更多的海底秘密。柔性機(jī)器人的應(yīng)用目前集中在2大領(lǐng)域，分別是工業(yè)和醫(yī)療。當(dāng)前，對(duì)于柔性機(jī)器人的商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要集中在兩大領(lǐng)域，即工業(yè)和醫(yī)療，兩者都具有很大的需求空間。以醫(yī)療為例，專(zhuān)家分析，柔性化的手術(shù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)空間約為136億元/年。至于工業(yè)機(jī)器人，隨著人機(jī)協(xié)作的深入推廣，它在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性也隨之凸顯，未來(lái)市場(chǎng)需求只會(huì)與日俱增，其空間廣闊成都絲毫不亞于生物柔性機(jī)器人。但是目前絕大部分的軟體機(jī)器人都處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用上還有待開(kāi)發(fā)。不過(guò)假以時(shí)日，這些柔性機(jī)器人一定會(huì)有所作為。

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