“毒液”型软体机器人，才是人类新宠

本文来自微信公众号：极客公园前沿社 （ID：GeekParkFrontier），作者：捂耳朵、flaash，原文标题：《硬刚不行，有弹性、能流变的“软体机器人”才是人类新宠｜HyperTech》，头图来自：视觉中国

提到机器人，你首先想到的是什么？大概是这样的：

但不会是这个，对吧？

这一滩“史莱姆”来自上个月 Advanced Functional Materials 杂志上发表的一篇论文，是香港中文大学张立教授团队和哈尔滨工业大学谢晖教授团队的最新合作研究成果。

它是一个酷似“毒液”的磁性黏液机器人，由强钕磁铁、硼砂和聚乙烯醇等材料混合制成的，基于非牛顿流体的磁驱动。

这种软体机器人（Soft robotics）具有很好的变形能力和环境适应性，也可以通过卷曲行为来抓取和包裹物体，在临床医疗领域中，特别是微创手术、靶向药物输送等操作上有所应用。

实际上，根据国际机器人协会曾调查的数据，全球工业界只解决了 3%～4% 的规则与刚性物品的自动化生产搬运问题，剩余 96% 左右的柔性异形、易损物品仍只能使用人工上下料。

这意味着软体机器人领域的发展潜力很大，2020 年软体机器人市值约 10.5 亿美元，预计到 2026 年将达到 63.7 亿美元，期间复合年增长率为 35.17%。

目前软体机器人仍处于早期阶段，但与传统机器人相比，软体机器人具有多种优势，能够在传统刚体机器人之外，帮助人类做更多的事。

一、以柔克刚，软体机器人了解一下

软体机器人技术是机器人技术的子集，与刚体机器人相比，它是和有机生命体的物理特征更相似的技术。专家将软体机器人技术描述为仿生学的一种形式，其中机器人技术传统的线性和有些生硬的方面被模仿人类和动植物生命更复杂的模型所取代。

哈佛大学的研究人员设计的 Octobot

机器人一般由机械本体、驱动系统、控制系统和感知系统组成，软体机器人也同样。它的本体部分利用柔软材料制作，例如流体、凝胶和弹性体，其能够与环境材料相匹配。顺应性匹配的原则是指相互接触的材料应具有相似的机械刚度，以便均匀地分布内部载荷并，最大限度地减少界面应力集中。

但是，该原理不适用于刚性机器人（E = 10^9 Pa）与软质材料（E = 10^2～10^6 Pa）相互作用，这会导致损坏或机械固定（其中 E 是杨氏模量，它可以衡量固体材料的刚度）。很多脆弱的“环境材料”与软质材料的相互作用被广泛传播，比如天然皮肤，肌肉组织，脆弱的内部器官，还有生物，生物功能的人工复制等……

由于机械顺应性的显著失配，很容易得出一个结论：刚性机器人不适合人类亲密互动，否则会造成危险。因此，需要一种与自然界中存在的材料和生物的弹性及流变特性相匹配的机器人，而这正是软体机器人可以提供解决方案的地方。

软体机器人与经典机器人的比较｜elveflow

然而设计软体机器人时，传统用金属制造机器人的成熟方法就无法适用，需要从原理到结构设计到驱动、控制、传感都采用全新的模式。这也是软体机器人面临的一大问题。

二、软体机器人的用武之地

因为软体机器人是由符合生物物质（如人类皮肤和组织）的材料组成的，所以它们在机械上具有生物相容性，能够实现栩栩如生的功能。这些材料还可以改变自身形状和弹性硬度，不仅重量轻，而且足够舒适、柔软以防止受伤，适合与人亲密接触。

这些特点会让软体机器人在未来的社会、科学和工业活动中产生大量有前途的新技术。

比如，一些软外骨骼已经研发出来，这种新型机器人对患有运动障碍（中风、多发性硬化症、帕金森病）的患者、老年人很有用，也可以帮助士兵、消防员、护理人员以及任何需要搬运重物的人。

几十年来，外骨骼采用刚性连接，与生物解剖结构平行，以增加穿戴者的力量和耐力，同时保护他们免受身体压力和伤害。然而，这些机器人不足以适应人体平滑复杂的运动，而且很重且占用空间。取而代之的是，这些新型软体可穿戴机器人采用气动空气人工肌肉（pneumatic air artificial muscles ）工作，符合人体运动，重量轻。

Wyss 研究所开发的外骨骼套装就是这种轻量级设备的一个例子，它使用“柔软的衣服”，不包含刚性元素，防止了穿戴者者的运动受到限制，并避免刚性外骨骼遇到的关节错位。

类似地，还有软假肢。这些假肢由人工和天然肌肉提供动力，并通过认知命令、身体姿势和机载感应进行控制。

不止于实验室，这个领域也已经诞生了一些初创公司。一家名叫 StartUs Insights 的公司使用科学数据驱动的观察和筛选方法，从全球 69 个初创公司中挑选了 5 个有代表性的公司，我们不妨来看看它们各自的产业方向。

北京软体机器人科技有限公司（SRT）– 电子组装

使用传统机器人组装和包装手机、电路板等成品电子元件通常会在产品上留下划痕。这就需要人工，从而增加了成本。软机器人技术使机器人能够复制人类在操作产品时的灵巧性，从而承担这项工作。

Soft Robot Tech 提供基于软体机器人技术的夹持装置。这些固定装置有助于处理各个行业的产品，例如消费电子产品（尤其是手机）、化妆品、珠宝和食品。与刚性金属夹具相比，它们的软夹具可最大限度地减少表面划痕。

SpectroPlast – 硅 3D 打印

软机器人发展的一个主要障碍是缺乏模仿人类皮肤柔软触感的表面。硅是开发柔软触感表面的一种常用材料，主要是因为它的灵活性和 3D 打印的适应性。它还提供了设计的几何自由度并涉及快速的迭代周期。

瑞士初创公司 SpectroPlast 为不同的应用打印基于硅的解决方案。他们使用立体光刻和增材制造来制造不同刚度的硅产品。除了软体机器人，他们还生产医疗零件和工业部件的产品。

iCobots – 食品包装

包装鸡蛋、水果和巧克力一类的食品通常需要人工劳动。然而，农产品的采摘和包装过程也会不小心改变它们的自然质地。软体机器人技术的解决方案结合了机器人的速度和人类工人的柔软触摸，并在处理精细的食品中找到了应用之处。

以色列初创公司 iCobots 为软机器人提供即插即用解决方案。他们的解决方案与现有的机器人整合，将软体机器人的力量带给它们。他们的协作机器人处理多个行业的不同产品，特别是农业。

Squishy Robotics – 灾难救援

一般来说，灾后最初的几个小时对于搜索和救援是至关重要的。然而，救援人员到达现场往往需要时间。现场状况还常常限制了他们在清理现场之前进行有效搜索的能力。软机器人具有灵活的结构，能够使救援人员到达废墟下，而且，使用无人机很容易部署机器人。

Squishy Robotics 是一家总部位于美国的初创公司，致力于开发用于灾难救援的移动感应机器人。他们的机器人可以快速部署，即使是成群的机器人，在与救援人员互动方面具有高度的协作性。他们顺从和形状变化的设计使他们能够到达人类第一反应者无法到达的空间。这些机器人装备有传感器，可以传输视觉、音频、化学和生物信息。

Somnox – 机器人辅助医疗

在机器人辅助的医疗保健中，机器人引导病人完成重复性任务。这有助于伤后的康复，并鼓励特定的行为，如成瘾恢复或改善治疗的依从性。软机器人技术将刚性驱动器或外骨骼与模仿人类行为的柔软部件结合起来，并转换机器人辅助护理。

图片来自：Somnox

Somnox 是一家荷兰创业公司，提供软机器人技术创新解决方案来提高睡眠质量。他们的睡眠机器人帮助患有睡眠昼夜节律障碍的人更快更长时间入睡。它模拟呼吸模式，播放放松的声音，并且安慰睡眠者作为上瘾的安眠药的替代品。

三、如何制造和驱动软体机器人？

正是软体机器人的应用和研发，带动了材料、致动技术的进展，这才推动了产业应用。

软体机器人当前有几种致动模式，如燃烧驱动致动、光敏致动和气动网络致动。其中，气动网络致动模式（Pneumatic Networks actuators， PneuNets）是目前大多数软体机器人采用的驱动模式。

驱动器由软材料，弹性体组成，在其中加压流体可以在一系列通道和腔室内流动。当这些腔室受压时，受限的流体会从材料内部产生应力，导致材料产生应变，变形，并使致动器运动。通过调节嵌入式腔室的几何形状及其壁的材料属性，人们可以控制此运动的性质。通常，流体弹性体机器人的每个部分都会弯曲，而这种弯曲是由于材料应变引起的。

如果机器人由单个均质的弹性体组成，则大多数膨胀将发生在最薄的结构上，因此机器人的运动将取决于微流体回路的几何形状。但是，具有不同弹性行为的材料也可以用于对致动器行为的进一步控制。

致动器在受压时弯曲变形｜成均馆大学机械工程学院软机器人实验室

为了制造软体机器人的本体部分，最常用的制造工艺是软光刻成型，它依赖于在通过软光刻或 3D 打印获得的模具中铸造弹性体。这种制造过程通常包括三个步骤：

软体机器人由两部分组成：外层，包含所需通道结构的模型，以及约束层，呈现出驱动所需的不可扩展特性（由于不同的刚度）。每层通过在每个模具中浇注硅橡胶而成型，并固化。

然后，将两个固化层从它们的模具中取出，使用一层薄薄的未固化弹性体作为胶水连接，然后固化在一起。

最后，一旦固化完成，最终的致动器就会从模具中取出。

显然，有一些软体机器人更复杂，创造它们需要更多工序，但从广义上讲，制造过程也类似。

软体机器人的 3D 打印流程｜elveflow

过去，传统工业机器人得到了辉煌的发展，但如今我们想让机器人做更多的事，尤其是让它们和环境与人类进行互动，很大程度上要转向软体机器人技术路线而实现。

每项技术的发展都有一定的背景，即既有需求又有相应的技术可行性。“更软”的机器人一直是人类所需要的，而它也正因科研和产业的发展而逐渐应用到我们的生活中来。

原文链接：

1. Soft Robot: A Review

https://t.cn/A66D0iqW

2. 5 Top Soft Robotics Startups

https://t.cn/A66D0a0N

本文来自微信公众号：极客公园前沿社 （ID：GeekParkFrontier），作者：捂耳朵、flaash

关键词： 解决方案 初创公司