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何為柔性機(jī)器人?如何讓機(jī)器人的身體柔若無骨

金屬外殼，剛硬骨骼，像個(gè)戰(zhàn)士一樣，這似乎是我們對機(jī)器人的普遍印象，電影和小說中對機(jī)器人的描述也大抵如此。然而機(jī)器人絕不僅僅是這樣，小編今天就帶大家走進(jìn)千奇百怪、腦洞大開的柔性機(jī)器人。有這樣一種神奇的機(jī)器人，它可以做到這樣…… 像藤蔓一樣自生長，柔軟的身體延伸運(yùn)動到各種角落；。也有模仿其他魚類生物的水下機(jī)器人，柔軟的“魚鰭”如同真的魚兒一樣，在水中靈活運(yùn)動；而這些看似柔弱無骨的機(jī)器人，就是我們今天的主角——柔性機(jī)器人。何為柔性機(jī)器人自然界的很多生物都有自己的柔性和靈活性，從上面的幾張動圖可以看出，柔性機(jī)器人其實(shí)就模仿了一些動物外形。當(dāng)然我們探討的柔性機(jī)器人概念比較窄，指的是完全由柔性材料構(gòu)成，沒有多余硬性結(jié)構(gòu)在其中，所以柔性機(jī)器人必然具備三種特性：高靈活性、可變形性和能量吸收特性。斯坦福大學(xué)研究人員模仿葡萄藤生長，發(fā)明出一款新型的柔性機(jī)器人，它能像葡萄藤一樣生長，在廢墟瓦礫中穿梭，找到被困的幸存者，甚至向他們送水。浙江大學(xué)的李鐵風(fēng)教授及其他研究人員此前在《Science》發(fā)表了一篇名為《Fast-moving soft electronic fish（快速移動的電子魚）》的文章，闡述了他們研發(fā)的一種柔性機(jī)器人，柔性的特征使得這條“電子魚”得以在狹小的空間內(nèi)航行，拓寬了它們能夠行駛的空間。無論是國外的麻省理工、哈佛大學(xué)還是國內(nèi)的清華、浙大，研究學(xué)者們都在尋求柔性機(jī)器人技術(shù)的突破口。毫不夸張的說，如果想要同時(shí)滿足這些特性，技術(shù)難題很多，所以這也是為什么柔性機(jī)器人的技術(shù)一直處在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)階段。如何讓機(jī)器人的身體柔若無骨為了能夠達(dá)到高靈活性和可變形性，柔性機(jī)器人的構(gòu)成材料、驅(qū)動方式都很有講究，傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼完全不適用。首先是柔性機(jī)器人的構(gòu)成材料上，既要極易變形彎曲的柔軟度，也必須要考慮到它的驅(qū)動方式，目前比較常見的是通過3D打印材料來制作柔性機(jī)器人的“外殼”，例如用水凝膠制造出柔軟的膠狀機(jī)器人。水凝膠材質(zhì)的軟體機(jī)器人 MIT的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就做了嘗試性的試驗(yàn)，他們用 3D 打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實(shí)現(xiàn)“身體”的“柔韌性”，然后通過液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動。再就是通過一些特殊的材料來打造類似于人造肌肉的材料，像電子動力聚合物（EAP）、形狀記憶合金這樣的物質(zhì)都是人造肌肉的良好材料，以形狀記憶合金為例，它可以根據(jù)溫度自動改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實(shí)現(xiàn)彎曲、變短、抓取物體等動作。除此之外，還有一種新興的功能材料室溫液態(tài)金屬，這種材料在電、磁、力、熱的作用下，可以在不同的形態(tài)和運(yùn)動模式上任意切換。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜在其撰寫的室溫液態(tài)金屬綜述文章中也曾寫道，“液態(tài)金屬可變形機(jī)器效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有望促成柔性機(jī)器理論與技術(shù)取得重大突破?！? 應(yīng)用前景廣泛，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)用性來考量的話，這種柔性機(jī)器人非常適合一些“極端”的場景下，比如受災(zāi)現(xiàn)場的救援：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。哈佛大學(xué)發(fā)布的可植入軟體機(jī)器人醫(yī)療方面，柔性機(jī)器人也是一大利器，如果醫(yī)生想要針對人體內(nèi)的某個(gè)器官對癥下藥，就可以通過柔性機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，科羅拉多大學(xué)博爾德分校實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械工程師Franck Vernerey就研制出了專門用于醫(yī)藥治療的軟體機(jī)器人。另外，在他還看來，醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人，只能以軟體蠕動的形式構(gòu)造。小編非常期待它落地應(yīng)用后給我們生活帶來的變革性變化，而文中列舉的很多實(shí)驗(yàn)室案例也表明柔性機(jī)器人的研究一直在進(jìn)行中，假以時(shí)日，等待相關(guān)技術(shù)的成熟，必然會在機(jī)器人行業(yè)大放異彩。

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