近年来，机器人工程开始关注更快速、安全、执行更精细任务的机器人的发展，研究人员将目光投向自然界并从中获得灵感。近日，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员受到猎豹的生物力学启发，发明出一种新型的软体机器人。相比早前的软体机器人，这种新型机器人能够在固体表面或水中更快地移动物体，同时还可以精确地抓取物体或以充足的力量提起重物。

“猎豹是陆地上移动速度最快的生物,它们通过弯曲脊柱产生速度与力量。”软体机器人报告的共同作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授JieYin表示。由于猎豹的脊背柔软且富有弹性，通过拉伸背部肌肉来控制脊背的快速弯曲以及伸长。受此启发，这款机器人的脊背变形由软“身体”-气动软驱动器完成。

驱动器有上下两层气道，在充气加压后可以双向弯曲，从而带动脊背的上下弯曲变形。为了实现脊背的快速运动，研究团队给脊背装上了“肌肉”，是一种预拉伸弹簧用来存储能量，使其变身成为一个双稳态机构：背部向上弯或向下弯代表两种稳定状态；背部变直时，为失稳状态。当来回摆动身体时，肌肉中的能量得以储存和快速释放，柔性脊背在双稳态间来回突跳。

机器人内部的两个执行器模拟脊柱，在充气时能够分别向上和向下弯曲。通过空气泵交替弹开，实现机器人正弓蹬地和反弓腾空的形态转换。这样的设计赋予了机器人“蹬地”的力量，从而实现类似猎豹脊背的快速运动。团队将此机器人命名为(LeveragingElastic Instabilities for Amplified Performance)LEAP高性能软体机器人。

由于软体机器人的高安全性，与人类、恶劣环境交互时的高适应性和顺应性，的确引起了众多研究者的兴趣。它们具备传统刚性机器人难以达到的特性，比如软体机器人在执行抓取操作时，因其自身的柔软性而能改变自身形态，抓取一些易碎品和不规则物体时，会以包裹的形式抓取，而且不会损坏物体本身。可以想见，未来软体机器人在工业、农业、医疗、救灾等领域都将有广阔的应用前景。

但与此同时，柔性材料也带来了一些天然缺陷，比如反应慢及力量小等，因此大多数软机器人运动速度较为缓慢，介于每秒0.02至0.8个身长（自身身体长度）。自然界中蜗牛的爬行速度为每秒0.1-0.2个身长，而猎豹的速度为每秒16个身长。另外，新的软体结构对材料和传感技术的要求越来越高，现有的材料并不能完全满足所需实现的功能。

如何让高柔顺性的软体机器人快速地跑起来，成为了一个亟待解决的问题。Yin教授团队通过巧妙利用在双稳态之间的快速跳转，实现了可以像猎豹一样快速奔跑的软体机器人。与贴地爬行的传统单稳态软机器人相比，Yin教授团队的研究显示双稳态机制具有下列独特优势：更快——响应时间缩短20倍，突跳时间约50毫秒，运动速度提高2倍；更强——力量输出提高3倍，可以爬坡等。

早期的软体机器人大多是由履带牵引的装置，始终都需要与地面保持连接，这就极大地阻碍了机器人前进的速度。到目前为止，最快速的软体机器人在平坦的固体表面移动的速度达每秒0.8个身长。而新型的LEAP软体机器人,能够在3赫兹左右的低驱动频率下，以每秒2.7个身长的速度飞驰，是目前最快软体机器人的3倍之多。这款新型机器人能够在陡峭的斜坡上奔跑，这对于那些蹬地力较弱的软体机器人来说，是十分困难或无法完成的。这些飞驰的LEAP机器人长约7厘米，重约45克。

除此之外，研究人员还论证了LEAP设计能够提高软体机器人的游泳速度。通过安装一个“鱼鳍”（而不是脚），LEAP机器人能够达到每秒0.78个身长的速度，而早期的最快软体机器人的游泳速度是每秒0.7个身长。同时，研究人员还验证了多个软体机器人共同工作的情况，比如用钳子抓取目标物体。“通过调整机器人发出的力量，它们能够准确地举起一个鸡蛋，并且可以抬起重为10克或更重的物体。”Yin教授表示。

研究人员认为，这项研究工作可以作为一项概念的证明。他们很有信心，通过修改原有设计使LEAP机器人变得更快、更强大。这款机器人的潜在应用包括需要速度的搜救技术，以及工业制造机器人等。比如，生产线上的机器人动作迅速而又能处理极易碎的物品。

Yin教授表示：“我们以开放的态度与各私营领域进行合作，可以对技术进行微调以确保能够将这项技术融入各种不同的操作中。”除此之外，研究团队还希望能够发展出多稳定态的模块，这就意味着他们不再满足于目前使用的双稳定性，还将设计出多种稳定性的状态，这样软体机器人就可以操作更加复杂多变的动作。同时，研究人员还希望机器人能够适应制动器系统，而不只是目前使用的气动装置。

Yin教授表示，由于LEAP机器人结合了刚性机器人的高动力和软机器人的高顺应性与安全性等优点，它在未来的商业化过程中还可以成为跑步软体机器人和康复软体机器人。比如LEAP机器人可以用于膝关节的康复，以协助患者步行和跑步。“LEAP机器人通过‘脊椎’的弯曲和伸展实现了快速奔跑，所以我们可以把它当作一个软性关节，通过模拟膝关节来帮助病人行走。”

LEAP机器人的优势在于快速响应和由低到高、可调节的动力。所以在主动康复训练中，LEAP机器人的辅助模式必须根据患者病情的不同进行相应的调整，实现个性化的训练。比如，针对康复初期患者，其肌力较弱，一般需要机器人提供较大的驱动力辅助患者完成运动训练；而随着患者肌力的逐渐恢复，LEAP机器人可以逐步减小辅助力，并逐渐由助力转化为阻力，以加大患者的训练强度，改善康复效果。在下肢康复方面，主动康复训练模式还需要进一步研究，包括进一步改善机器人的意图识别精度、改善操作柔顺性等。

研究人员表示，这项研究建立了新一代高性能软体机器人的通用设计范本，这种机器人将适用于多功能、不同的驱动方法以及多尺度的材料。

编译自科学网站

本文刊于《中国民商》杂志2020年06期

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