2007 年，塞西莉亚·拉斯基请她的父亲为她在意大利利沃诺海边的实验室抓一只活章鱼。他认为她疯了：作为一名休闲渔民，他认为章鱼太容易抓到了，肯定是非常愚蠢的动物。而且，一位研究金属和微处理器的机器人研究员要一个软绵绵的头足类动物做什么呢？
尽管如此，老拉斯基还是在托斯卡纳海岸附近抓到了一只章鱼，并把它给了在意大利比萨圣安娜高等研究学院工作的女儿。她和她的学生将这个生物放入一个咸水缸中，在那里他们可以研究它是如何抓住小块的凤尾鱼和螃蟹的。然后，该团队着手制造可以模仿这些运动的机器人。
经过一次又一次的原型设计，他们创造了一种带有内部弹簧和金属丝的人工触手，可以模仿章鱼的肌肉，直到该装置能够以逼真的方式波动、伸长、收缩、变硬和卷曲。“这是一种完全不同的机器人制造方式，”拉斯基说。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在过去十年中，这种方法已成为机器人技术的主要研究前沿。该领域的科学家和工程师长期以来一直致力于硬体机器人，其灵感通常来自人类和其他具有硬骨骼的动物。这些机器的优点是以数学上可预测的方式移动，刚性肢体只能围绕固定关节弯曲和伸直。但是，它们还需要细致的编程和广泛的反馈，以避免撞到物体；即便如此，当处理人类、新物体、崎岖地形或其他不可预测的情况时，它们的运动常常会变得不稳定甚至危险。
受章鱼、毛毛虫或鱼类等柔性生物启发的机器人提供了一种解决方案。软机器人主要由柔韧或弹性材料制成，无需密集的（且常常是不完美的）计算，就可以将自身塑造成周围环境的形状。尽管其中一些机器使用金属丝或弹簧来模仿肌肉和肌腱，但作为一个群体，软机器人已经抛弃了定义了前几代机器人的骨骼。由于没有任何类似骨骼或关节的东西，这些机器可以以前所未有的方式拉伸、扭曲、挤压和挤压。它们可以改变形状或大小，缠绕物体，甚至比以往任何时候都更安全地触摸人。
制造这些机器涉及开发新技术，以有目的地移动松软的材料，以及监测和预测其动作的方法。但如果成功，这些机器人可能会被用作救援人员，可以挤入狭窄的空间或滑过移动的碎片；作为可以与人类密切互动的家庭健康助手；以及作为可以抓取新物体而无需事先编程的工业机器。
研究人员已经生产了各种各样的此类机器，包括爬行机器人毛毛虫、游泳机器人鱼和波浪起伏的人工水母。4 月 29 日至 30 日，十支队伍将在利沃诺参加国际软机器人挑战赛——同类赛事中的首个。拉斯基是欧洲委员会支持的赞助研究联盟 RoboSoft 的科学协调员，她希望这次活动将推动该领域的创新。
“如果你看看生物学，问问达尔文的进化论产生了什么，就会发现各种各样的令人难以置信的运动、感知、抓握、进食、狩猎、游泳、行走和滑翔解决方案，这些解决方案对于硬机器人来说是无法实现的，”哈佛大学的软机器人研究员、化学家乔治·怀特塞兹说。“制造全新类型的机器的想法非常有趣。”
平稳移动
当今世界各地数百万台工业机器人都源自同一基本蓝图。这些金属束缚的机器使用其笨重、刚性的肢体，以人类无法比拟的速度、力量和盲目的重复性，承担汽车装配线和工业工厂中的繁重工作。但是，标准机器人需要专门的编程、严格控制的条件以及对其自身运动的持续反馈，才能精确地知道何时以及如何移动其众多关节中的每一个。它们可能会在超出其编程参数的任务中惨败，并且在不可预测的环境中可能会完全失灵。大多数机器人必须呆在栅栏后面，以保护其人类同事免受意外伤害。
图片来源：Empire Robotics
“想想系鞋带有多难，”剑桥市马萨诸塞州理工学院计算机科学与人工智能实验室主任丹妮拉·鲁斯说。“这就是我们希望机器人在机器人技术中拥有的能力。”
在过去的十年中，这种愿望引发了人们对更轻、更便宜的机器的兴趣增加，这些机器可以处理棘手或不可预测的情况，并直接与人类协作。包括拉斯基在内的一些机器人专家认为，柔软的材料和仿生设计可以提供答案。
拉斯基说，这个想法最初很难推销。“一开始，非常传统的机器人技术会议不想接受我的论文，”她说。“但现在有专门讨论这个主题的整个会议。”聚合物科学的最新进展，特别是用于将聚合物浇铸、模塑或 3D 打印成定制形状的技术的发展，正在帮助推动人们对这一领域的兴趣激增。这使得机器人专家可以更自由、更快速地尝试制作柔软的形状。
因此，已有 30 多家机构加入了 2013 年启动的 RoboSoft 合作项目。次年，专门的期刊《软机器人》创刊，以及名为软机器人工具包的开放存取资源：一个由都柏林圣三一学院和哈佛大学的研究人员开发的网站，允许研究人员和业余爱好者分享技巧，并查找可下载的设计和其他信息（参见 go.nature.com/8gsq4h）。
西拉法叶市普渡大学的机械工程师丽贝卡·克莱默说，“我不认为社区已经就软机器人应该是什么样子达成一致，我们仍在挑选核心技术。”
也许最根本的挑战是如何让机器人的柔软结构卷曲、挤压和拉伸。拉斯基的机器人触手容纳了一个由细金属电缆和由形状记忆合金制成的弹簧网络——形状记忆合金是一种容易弯曲的金属，加热后会恢复到原来的形状。这些部件沿“手臂”纵向铺设，模拟章鱼的纵向肌肉，这些肌肉在收缩时会缩短或弯曲触手。其他部件从触手的核心向外辐射，模拟横向肌肉，从而缩小手臂的直径。研究人员可以通过用外部电机拉动某些电缆组合，或通过电流加热弹簧，使触手波动——甚至缠绕在人手上。
一个类似的系统有助于驱动神经生物学家巴里·特里默以他最喜欢的实验生物——烟草天蛾（Manduca sexta）为模型设计的软机器人毛毛虫。在他位于马萨诸塞州梅德福的塔夫茨大学实验室里，每天有 20 只天蛾出生，特里默还 3D 打印了一些机器人天蛾。这些机械生物像真的一样在实验台上蠕动，它们甚至可以复制毛毛虫标志性的逃生动作：这里拉一下，那里拽一下机器人的内部“肌肉”，机器就会猛地变成一个圆圈，然后滚走。特里默是《软机器人》杂志的主编，他希望这种广泛的运动范围有一天能使这种机器人成为应急响应人员的助手，他们可以快速穿越碎片区域，并在瓦砾中挖掘以定位灾难幸存者。
与此同时，怀特塞兹正在率先开发由空气驱动的机器人——其中包括一系列受海星启发的聚合物基设备。每个肢体都由一个内部的口袋和通道网络组成，夹在两种不同弹性的材料之间。当研究人员将空气泵入机器人的不同部位时，手臂（或腿或手指）会不对称地膨胀和卷曲。怀特塞兹的团队甚至制造出一种可以在钢琴上演奏《玛丽有只小绵羊》的设备。该团队的四足创作之一已经掌握了机器人障碍赛：当机器朝一个净空约为 2 厘米的抬高隔板蹒跚而行时，该机器会掉下来并在下方滑行，这证明了软机器人在应对复杂地形方面的潜力。
抢占市场份额
尽管大多数软机器人仍留在实验室中，但怀特塞兹的一些作品正在冒险进入市场，以满足工业界对熟练机器人手的需求。传统的夹爪需要有关物体的位置、形状、重量和光滑度等因素的详细信息，才能正确移动其每个关节。一个系统可能专门用于处理洗发水瓶，而另一个系统仅拾取儿童玩具，还需要另一个系统来抓取 T 恤。但是，随着制造商更新其产品线，以及电子商务仓库处理越来越多的各种物体，这些公司需要为每种不同的用途更换定制的夹爪和更新的控制算法——通常会花费大量成本和时间。
相比之下，主要由柔软、可伸缩材料制成的夹爪可以包裹并贴合不同形状和尺寸的物体。Soft Robotics 是一家位于马萨诸塞州剑桥市的初创公司，于 2013 年从怀特塞兹的研究中脱颖而出，已筹集约 450 万美元用于开发一系列橡胶机器人爪。“我们不使用力传感器，不使用反馈系统，我们也不做太多规划，”该公司首席执行官卡尔·沃斯说。“我们只是去抓取物体”，挤压直到抓地力牢固。
这些爪子完全由弹性聚合物制成，当空气通过其内部通道泵入时会卷曲。刚性机器人手必须仔细计算每个手指的运动，而新型夹爪的柔软性使其能够沿着或围绕物体表面拖动或变形，直到抓住物体，而不会造成损坏。它甚至可以采摘蘑菇和成熟的草莓，以及藤蔓上的饱满西红柿——这些任务历来都需要人类工人的精细触感。Soft Robotics 于 2015 年 6 月发布了其首款可供销售的夹爪，并且正在与六家参与包装和食品处理的客户公司进行试点项目。
邻近波士顿的 Empire Robotics 采取了一种截然不同的方法，通过销售一种类似于软绵绵的压力球的机器人“手”来开拓市场。球体内部的沙状颗粒最初可以自由流动，使其在牢牢压入物体时变形。然后，一个阀门将球体内的空气吸出，使内部的颗粒相互紧紧挤压，导致球体变硬其抓地力。基于伊利诺伊州芝加哥大学的海因里希·耶格和纽约州伊萨卡康奈尔大学的霍德·利普森的研究，“Versaball”可以在大约十分之一秒内拾取物体，并提起高达约 9 公斤的物体。
位置感
随着机器人章鱼、毛毛虫、海星和其他柔韧机器的问世，一些科学家开始专注于更好地控制这些设备的动作。“我们谈论的是松软、弹性的材料，”克莱默说。“当一侧的东西移动时，你不太确定机器的其余部分会最终停在哪里。”这就是为什么许多应用可能需要额外的传感器来监测运动。然而，传统的位移和力传感器——刚性或半刚性电子元件——并非总是能很好地与经历极端形状变化的软机器人配合使用。
像朴永来这样的工程师正在通过开发可拉伸的电子传感器来解决这个问题。在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡内基梅隆大学，朴永来致力于研究橡胶贴片，其中包含夹在硅橡胶片之间的液态金属电路。这些液态电路以各种图案（包括螺旋形和条纹）浇注，可以定制用于感应设备何时被挤压或拉伸，以及在哪个方向上被挤压或拉伸。
“可拉伸传感器可以像皮肤一样灵敏，具体取决于您的设计方式。您可以调整它们以响应手指的轻微拂动或 30 磅的重量，”康奈尔大学的机械工程师罗伯特·谢泼德说，他开发了将拉伸敏感“皮肤”直接 3D 打印到软机器人上的方法。导电和绝缘材料的交替层在受到推动或拉动时会产生电信号。
可拉伸传感器可能在日益增长的可穿戴机器人领域发挥重要作用。在美国军方的资助下，哈佛大学的康纳·沃尔什多年来一直在开发和改进士兵用软“外骨骼服”——一种比早期“钢铁侠”式外骨骼更舒适的类似物，旨在帮助战士在长距离内携带重物。用户仍然可以感觉到该设备在辅助他们的运动，但在套装中行走感觉“非常自然”，沃尔什说——这是对传统外骨骼的重大改进。沃尔什的套装没有笨重、刚性的外壳，而是使用了由尼龙、涤纶和氨纶制成的带子，策略性地放置在腿部。少量位置和加速度传感器（目前是标准的刚性设备）有助于监测佩戴者的步态，并在最佳时间提供辅助。沃尔什说，下一步是集成可拉伸传感器，以获得更柔软、更舒适的体验。
与此同时，克莱默创造了一种响应电流而移动的机器人织物。当受到刺激时，这种用形状记忆合金线圈缝制的细布可以缩短长度达 60%。智能“线”会跟踪织物的运动；克莱默编织了填充有液态金属的拉伸敏感硅胶丝。这种概念有一天可以用于袖子或袖口，以帮助受伤或老年人移动。克莱默还希望这种材料可以用于在太空组装机器人。例如，宇航员可以简单地将活性皮肤披在一块泡沫上，以将其变成一个工作机器人。
但在软机器人飞向太空之前，必须在地面上完成大量基础工作。关于柔软材料如何响应外力变形，以及运动如何在柔软质量中传播，人们知之甚少。此外，大多数软机器人仍然连接或束缚到硬能源，例如电池或压缩空气罐。一些研究人员已经在关注软机器人的生化或可再生能源的潜力。
4 月份的 RoboSoft 挑战赛可能有助于促进发展。在那里，参赛作品将接受测试：挑战包括在沙坑中赛跑、通过把手开门、抓取许多神秘物体以及避开水下脆弱的障碍物。拉斯基说，目标是证明软机器人可以完成硬机器人可以完成的某些任务，以及其他硬机器人无法完成的任务。
“我不认为软机器人会取代传统机器人，但在未来，这将是两者的结合，”拉斯基说。许多研究人员认为，在需要强大力量、速度或精度的工作中，刚性机器人可能会保持其优越性。但是，对于越来越多的涉及与人密切互动或其他不可预测情况的应用，软机器人可能会找到一个利基市场。
例如，在伦敦国王学院，拉斯基的合作者正在基于她的触手技术开发一种外科内窥镜。她的意大利团队正在开发一种全身机器人章鱼，它通过流体推进游泳，有一天可以用于水下研究和探索。原型已经在她的实验室的罐子里静静地跳动，而真正的章鱼则在外面咸咸的海水中游动。
“当我开始研究章鱼时，人们问我它是做什么用的，”拉斯基说。“我说，‘我不知道，但我确信如果它成功了，可能会有很多很多应用’。”
本文经许可转载，并于 2016 年 2 月 3 日首次发表。