中國科學家研發(fā)模塊化軟體機器人和模仿折紙的全柔性人工肌肉

“折一千對紙鶴，結(jié)一千顆心情”，邰正宵的《千紙鶴》曾陪伴過一代人。千紙鶴是一種中國傳統(tǒng)折紙藝術(shù)，然而浙江大學機械工程學院教授鄒俊卻以此為靈感，做成了軟體機器人，并借此發(fā)表了兩篇 SCI 封面論文。

但在發(fā)表第一篇 SCI 封面論文時，他并未察覺自己已在不知不覺間，使用了中國折紙藝術(shù)。

他告訴 DeepTech：“能獲得兩個封面，是因為在軟體機器人上實現(xiàn)模塊化，是非常困難的事情。”

第一篇 SCI 封面論文：給機器人設(shè)計柔性關(guān)節(jié)

鄒俊的主攻方向是軟體機器人，2019 年 1 月，Advanced Materials Technologies 在封面刊登論文《真空驅(qū)動的軟氣動柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器，賦予軟體機器人新的功能》“Vacuum‐Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators to Empower New Capabilities for Soft Robots”，他是該論文的通訊作者，文中描述了一種由真空驅(qū)動的柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器。

該研究的立項起因在于，傳統(tǒng)硬體機器人的抓手如波士頓機器狗，主要依靠機械電機關(guān)節(jié)來改變其抓取方向，而軟體機器人卻缺少類似的 “柔性關(guān)節(jié)”，因此靈活性會受限。

雖然已有部分軟體機器人擁有柔性抓手，但普遍比較 “死板”，比如只有物體處于特定擺放角度才能被抓手抓住，因此柔性關(guān)節(jié)設(shè)計非常有必要。

基于此，鄒俊開始投入研究，一開始他們曾提出一種剛?cè)峤Y(jié)合的設(shè)計方案 —— 在執(zhí)行器的四條棱邊中，插入四根由 PLA（Polylactic acid，聚乳酸）制作的傾斜桿，執(zhí)行器氣室被抽成真空后，就會沿著桿的傾斜方向扭轉(zhuǎn)。

但在操作中，執(zhí)行器的四根桿被意外掰斷，鄒俊索性將錯就錯，做出一個沒有桿支撐的柔性關(guān)節(jié)，結(jié)果效果反而比想象中更好。

不久后，他的最終方案成型，即用一個真空驅(qū)動的柔性扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器（V-SPTA，Vacuum-Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators）作為軟體機器人的 “柔性關(guān)節(jié)”。

據(jù)悉，V-SPTA 完全采用柔性材料制作，擁有超長使用壽命。相比傳統(tǒng)氣動執(zhí)行器，V-SPTA 的氣室連接處非常堅強，如下圖哪怕用針戳幾個小孔，依然能夠正常使用。

而此前的傳統(tǒng)氣動執(zhí)行器，它們的最大缺點在于容易漏氣，在高壓氣體的作用下，氣室連接處很容易裂開、漏氣，最終影響氣動執(zhí)行器的使用壽命。

此外，V-SPTA 還擁有較強的負載能力，如下圖，高度 20mm 為的 V-SPTA，其重量僅有 19g，但卻能驅(qū)動 9kg 以上的物體，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，這是其自重的 473 倍。

與同類全柔性線性執(zhí)行器相比，V-SPTA 的提重能力是它們的 5 倍以上。

通常來講，和人體關(guān)節(jié)一樣，機器人的關(guān)節(jié)也是一種通用運動模塊，它不僅能改變抓手方向，還能改變機械臂的彎曲方向，而柔性關(guān)節(jié)同樣具備上述功能。

故此，在驗證 V-SPTA 的應(yīng)有功能時，鄒俊模仿硬體工業(yè)機器人，并制作一個全柔性 “胳膊”。

他把兩個 V-SPTA 分別作為軟體機器人的機械臂關(guān)節(jié)和抓手關(guān)節(jié)，其中機械臂關(guān)節(jié)用于改變?nèi)嵝詸C械臂的彎曲方向，抓手關(guān)節(jié)用來改變?nèi)嵝宰ナ值淖ト》较?，為的是讓全柔?“胳膊” 可適應(yīng)被抓物體的各種擺放角度以及將物體放在不同位置。

和其他氣動執(zhí)行器結(jié)合，V-SPTA 可實現(xiàn)模仿人手擰開瓶蓋的過程。

V-SPTA 還可組裝成可旋轉(zhuǎn)的柔性爬行機器人，將 7 個 V-SPTA 和 3D 打印零件連接起來，就可以產(chǎn)生一個爬行機器人，它擁有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直線行走、原地旋轉(zhuǎn)等多種功能。

據(jù)鄒俊表示，此前多數(shù)柔性氣動爬行機器人要么不具備轉(zhuǎn)向能力、要么轉(zhuǎn)向速度偏慢，而上述爬行機器人采用一種全新轉(zhuǎn)向模式，可在行進過程中實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向速度可達 25.7°/s，高于多數(shù)同類研究成果。

圖 | 和其他柔性氣動爬行機器人的轉(zhuǎn)向速度對比（來源：受訪者）

在第三個應(yīng)用中，鄒俊把 V-SPTA 組裝成柔性管道機器人，該機器人可在水平管道以及豎直管道中爬行，功能上除了清理和檢測管道之外，還能在管道中運送物體。

概括來說，V-SPTA 擴大了軟體機器人的能力，同時最大程度地減少了執(zhí)行器設(shè)計的復(fù)雜性、并降低了制造成本。放在工廠生產(chǎn)線上，能起到類似關(guān)節(jié)機器手的作用，可用于擰螺絲、抓取物體等。

第二篇 SCI 封面論文：適用于基于柔性材料的可重構(gòu)軟體機器人的高級人工造肌肉

時隔不久，鄒俊在 Advanced Science 發(fā)表了另一篇封面論文，標題為《適用于基于柔性材料的可重構(gòu)軟體機器人的高級人工造肌肉》“Advanced Artificial Muscle for Flexible Material-Based Reconfigurable Soft Robots”。

該研究是對前文第一個工作的擴展，即把機器人變成類似于樂高積木的物體，借此實現(xiàn)想要的各種復(fù)雜運動。在第一個工作中，給軟體機器人吸氣的時候，它不僅旋轉(zhuǎn)還會收縮，沒有把運動完全分離開，等于是兩個運動的復(fù)合體。

相比第一個工作，第二個工作通過模塊組合將復(fù)合運動解耦，實現(xiàn)了單個運動，這樣可大大豐富機器人的運動能力，因此是很大的進步。

打個比方，一個物體需要兩個配件同時存在才可運動，而現(xiàn)在兩個配件分開后，物體也可實現(xiàn)獨立運動。

同時，第二篇 SCI 靈感來源于很多人都熟悉的一種民間藝術(shù) —— 折紙，通過模仿折紙的折疊運動，鄒俊設(shè)計了一種流體驅(qū)動的全柔性人工肌肉，它可通過直線運動、旋轉(zhuǎn)運動、彎曲運動，去實現(xiàn)所有的運動。

因為任何運動都由直線、彎曲、旋轉(zhuǎn)這些基本的運動組合而成。這樣的話，機器人的使用場景會更精細。打個比方，電風扇就只需要旋轉(zhuǎn)運動，而不需要直線運動。

圖 | 模仿折紙的全柔性人工肌肉（來源：Advanced Science）

具體研究中，鄒俊通過使用剛性連接和柔性軟連接兩種連接方法，設(shè)計出快速連接的人工造肌肉，這種人造工肌肉可重新配置成各種軟體機器人，通過一個關(guān)節(jié)，即可實現(xiàn)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，并且通過不同組合還可實現(xiàn)復(fù)雜運動，從而實現(xiàn)模塊化機器人的概念。

如圖所示，固定環(huán)、螺釘、螺母和剛性連接器等剛性物體，用于連接人工造肌肉的兩個底面 / 頂面。其中剛性螺旋連接器在可靠性、穩(wěn)定性和可拆卸性上，擁有顯著優(yōu)勢。

柔性軟吸盤連接器具有與人工造肌肉相同的驅(qū)動源，它可用于連接兩個人工造肌肉，從而可以在單個軟體機器人中有效集成多種功能。

其單個肌肉模塊可同時實現(xiàn)伸縮 + 扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運動、以及彎曲 + 扭轉(zhuǎn)的復(fù)合運動，多模塊組合還可實現(xiàn)伸縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、徑向運動等。

這些軟體 “積木” 可組裝成各種各樣的軟體機器人，如四足爬行機器人、柔性抓手、管道機器人、柔性手腕等，最終實現(xiàn)了 “積木” 型軟體機器人。

據(jù)悉，這類機器人制作簡單，成本也比較低，還可根據(jù)需要完成的任務(wù)將模塊化單元重新配置為一組，和針對大型特定任務(wù)的整體式機器人，擁有一樣的效果。

同時，這種折紙設(shè)計還有助于基于柔性材料的機器人的應(yīng)用，并在由各種柔性材料如水凝膠、電活性聚合物，液態(tài)金屬等制成的軟體機器人中具有廣闊的應(yīng)用前景。

這項研究還被鄒俊和學生帶到 2019 年哈爾濱工業(yè)大學舉辦的 “HRG 博實杯” 第一屆中國研究生機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽上。

大賽共有來自 220 家高校的 1311 支隊伍參加，四位同學參賽的作品《可重組的多功能人工肌肉》最終獲得全國總決賽一等獎，同時也是當時浙江大學參賽隊伍中唯一獲得一等獎的團隊。

論外觀，鄒俊課題組的機器人未必 “顏值最佳”，但他告訴 DeepTech，在柔性機器人方面，過去沒有人系統(tǒng)地、給其做類似樂高積木的工作。仍以樂高積木為例，由于它是硬性物體，因此可實現(xiàn)各種模型，而多數(shù)軟體機器人很難實現(xiàn)。

談及未來，鄒俊表示目前模塊化軟體機器人方向的研究越來越受關(guān)注，并且取得一定的進展。但是由于現(xiàn)有模塊化軟體機器人只能實現(xiàn)簡單的配置，完成一些簡單的任務(wù)，目前研究還處于較低的水平。

未來，他打算探索更加先進的技術(shù)或方法來克服諸多挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)自主的、敏捷的、強大的以及智能的模塊化軟體機器人。

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原文標題：靈感源于千紙鶴，中國科學家研發(fā)模塊化軟體機器人，以流體驅(qū)動全柔性人工肌肉｜專訪

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責任編輯：haq