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软体机器人的设计，制造以及控制
摘 要
一直以来，工程师们利用硬质材料制造精确可控的机器人系统，由于采用离散的节点连接机器人的不同部分，因此很容易建立机器人的模型。但是在自然环境中，那些可变形的机器人却具有更大的优势。例如，头足类动物可以在没有骨骼的情况下能够很好的控制自己的身体移动；一些脊椎动物，比如人，甚至可以将弹性势能储存在软骨以及软组织中以实现动态步态的规划。受自然的启发，工程师们已经开始探索有柔性材料组成的软体机器人的设计与控制问题。本文讨论了软体机器人这个新兴领域的最新发展。
0.引言
自然，一直以来都是工程师们制作出更加先进机器的动力来源[1]。柔性与躯体顺应性是被寻求简化机构和降低与环境交互复杂性的生物系统利用的突出特征之一。[2]几个仿生系统的课题现在以定义一种新的机器人系统而终结，我们称之为软体机器人[3]~[6]。传统而言，硬质机器人被广泛用于制造业之中，人们对机器人进行编程以使其高效完成一个简单的任务，但是适应性被限制。因为它们由硬质的节点构成，在人机交互中并不安全。因此为了解决安全问题，常把人和机器分割在工场的不同区域。传统机械柔顺性的缺乏是这个问题的原因之一。软体机器人为搭建人与机器交互的桥梁提供了很好的机会，与硬质机器人相比，软体机器人的躯体由柔性或者可延展的材料，例如硅橡胶组成，他们可以变形并且吸收由冲击产生的能量。这些机器人有内部由含有模仿生物系统的类肌肉制动器的可持续变形的结构组成，以至于他们与传统的硬质机器人相比有着相对而言更多的自由度。它们（如图1所示）有潜力展示出空前的适应性，灵敏性以及敏捷性。软体机器人有望在高曲率的路径上弯曲与扭转，[7]因此可以被用在受限的空间区域中连续的变形，从而模仿生物的移动步态[8]，改变它们的外形以适应环境，利用相应的移动步态以抓取物体[9]，或者在粗糙的地面上移动，展现弹力[10]；或者执行快速敏捷的动作，比如鱼类的逃离动作[11]。
制造能够发挥出其最大才能的软体机器人的关键问题在于利用将传感，制动以及计算融合在一起的可控柔性材料的发展，以上三点可以保证软体机器人完成预期的动作。传统的机器人控制方法假定机器人的连接机构是刚性的，因此应用在软体机器人上时存在很多缺陷，因此柔性材料需要新的算法。
1.什么是软体
软体指的是机器人的身体。柔性材料是制造软体机器人的重要保证。尽管杨氏模量仅仅适用于轴向受力以及小变形的均值菱形棒，它仍然是测量用于制造机器人系统材料硬度的一个有用指标[5]。传统用于制造机器人系统的材料（例如金属与硬质塑料）的杨氏模量一般在109-1012Pa之间，但是自然组织通常由杨氏模量在104-109Pa的材料（如皮肤或者肌肉组织）制成,如图2所示。我们定义软体机器人系统为有能力自主完成任务，并且主要由杨氏模量在软体生物材料杨氏模量范围之间的材料组成的机器人。
使用柔性材料的优势与软体生物材料的优势类似，包括极大的减少机械系统由于疏忽产生的伤害（这一点已经在软接点的刚性机器人中有所阐述[12]），提高人机交互的潜能。柔性材料对于不同形状的物体也有较高的适应性，因此简化如抓取之类的工作任务[13]，同时提高在柔软基地上的移动能力[14]。
为了使软体机器人的躯体更好的实现自身的潜能，用于传感，制动，计算，能量储存以及通信的设备必须内置在柔性材料中，这就形成了智能材料。另外，驱动软体机器人到达预定的姿态的算法也需要重新设计。这些算法需要根据与躯体结构匹配的阻抗设计。这种躯体与大脑的紧密结合允许我们将软体机器人看作有机器智能的机械系统[15],[16]，在此之中，机器人的躯体可被看作通过形态计算与大脑进行交流。软体机器人躯体本身可以计算的能力在很多情况下会简化控制算法，在身体与大脑之间搭建一座桥梁。但是，软体机器人（如软体组织）仍然需要基于计算硬件的某种算法。尽管，大脑与身体必须协同考虑，但是他们在发展过程中所遇到的问题却是不一样的。在这一分综述中，我们发现将它们归纳进不同的部分是十分有用的。在下文中，我们把软体机器人分为设计制造，计算控制与系统应用三部分，并从这三个部分回顾了软体机器人领域近期的发展。之后，我们讨论了软体机器人领域存在的长期问题，并指出论文我们认为在社会影响方面有巨大潜力的领域。
2.设计与制造
机器人根据材料的柔顺度可分为软体与硬体机器人。[3]软体机器人具有连续变形的能力，但是并不是所有可变形的机器人都是柔性的。例如，一种象鼻机器人[17]是由硬体部分组成的离散型超冗余机器人；人造导管机器人【18】也是硬体可变形机器人的一个例子；Octarm【19】 是半软体机器人的一个例子；而毛虫机器人[20]以及滚带机器人[21]是软体可变形机器人的例子。这些软体机器有着由软橡胶组成的模块化的躯体，人们将其串联或者并联以创造出复杂的步态。软体机器人的躯体可能由不同刚度的复合材料构成[11],[22]。软体机器人的躯体中囊括所有传统机器人的子系统：驱动系统，感知系统，驱动电路，计算系统以及相应的电源设施。柔性材料上的技术革新以及子系统与软体躯体的兼容性保证了软体机器人的自动化功能的实现。这一章节剩下的部分描述了软体机器人子系统的最新进展。在这部分零件中，数字化的工具被用来建立机器人躯体的拓扑结构，分析功能部件的安置位置。根据设计路线图，机器人就准备被制造出来了。
2.1致动
软体机器人的不同部分通常有以下两种方式的一种驱动：1）可变长度的驱动器（以弹性钢索[23]或者记忆合金制动器[24]的形式）被安置在机器人的不同部分以达到预定的效果，如图3f所示，仿章鱼机械臂就是其中的一个例子；2）气动致动器给柔性材料的内部腔道充气以取得预计的变形。气动肌肉，也被叫做麦基本制动器，就是由纤维套制成的橡胶管组成的线性软体制动器的例子[25][26]。流体弹性体制动器（FEAs）是一种新型的高延展度与适应性，低能耗的软体制动器。FEAs由人工合成的弹性片状体组成，工作时，内部腔道受压膨胀，带动整体完成预定的变形。一旦加压，制动器就会在低能耗甚至无能耗的基础上保持自身的状态。FEAs可以有液压[31][32]或者气压驱动[10],[27]~[30]。考虑到工作压力流体的选择并不多，并且发生器与致动器的时间常数存在很大的区别，因此定压部件比如调节器与阀门就显得十分重要。不管是什么样的驱动方式，软体致动器通常按照仿生学原理主动-拮抗布置（像肌肉）以实现双向致动。这种排布的另一个好处在于肌肉对的共同收缩可以使系统产生可适应性的柔顺性。
软体机器人的设计与驱动最早可追溯到1992年，那时候的研究团队阐述了一种软体可弯曲微型致动器的突出能力[27](图3.a)。他们的工作阐述了用弹性体制作机器人气动致动器的方法。此方法中，一种流体（一般是空气）被用来给弹性体的内部腔道充气使其膨胀，然而设计中的不对称或者是其他成分的材料使装置向预定的方向运动(图4)。该装置产生的连续的，适应性的移动与生物的运动惊人的一致。其他的科研小组[29],[33]~[35]利用从微流体系统转化而来的柔性光刻技术与由各种硅橡胶聚合物，弹性体，以及少量的纸与布料构成的柔性复合材料设计制造气压致动软体机器人系统,如图2.b,图2.c所示。这些基于气动网络设计的软体机器人的一个难点在于致动所需要的高应变可能会导致致动迟钝以及破裂失效。一种设计稍微复杂的气压致动软体机器人降低了致动所需材料的应变[36]，并且使大型软体机器人的自由行走变为可能[10]。柔性光刻制造工艺一般使用一层硬的橡胶或这弹性体作为基地，然后嵌入纸，纤维或者塑料薄膜来使软体机器人发生不对称的形变。另外对于上述方法而言，还有一种代替方法，就是用可弯曲的纤维加强弹性元件，这样就可以限制气动过程中弹性体上承担的压力。这样做的结果是致动器的延展性与可弯曲性会下降，但是承受压力的能力却有所上升，同时可以产生更大的力。使用复杂的模具或者自由制作工艺，直接将纤维嵌入气动弹性体中以在弯曲时获得角位移也变成了可能。
尽管大部分软体机器人原型机都是用的气压或液压致动，但是许多研究已经聚焦于使用导电活性聚合物的电致动软体机器人的发展了[38][39]，这种技术也有了原型机[22]。因为能量通常直接便利地以电能的形式存储，并且能量的消耗通常在集成电路上完成，所以直接利用电能致动可能会变得更有效率。导电活性聚合物的种类包括电介质导电活性聚合物，铁电体导电活性聚合物，电致伸缩聚合物，液晶聚合物，离子导电活性聚合物，电流变流体，离子薄膜金属混合物以及刺激-响应凝胶。因为对于这些问题的具体细节讨论已经超出这篇文章的范畴，因此我们推荐读者读参考文献[37],[38]以了解具体细节。总的来说，制造工艺，表现以及长期的稳定性是导电活性聚合物的研究热点。
除了通过改变材料的成分设计软体机器人的刚度以外，另一系列软体机器人的研究一直在寻求在动态中控制软体机器人的刚度。其中的一种方法是将例如蜡[40]或金属[41]等更硬的材料嵌入软体机器人中，这些材料的刚度可用温度控制。将热源同时嵌入就可调节结构的有效刚度，允许其变形或者重新定位。与之相似，由部分阻塞效应引起的恒温相变一直都被当作改变机器人致动刚度的方法去探索[42][43](图2.f)，甚至抓取一列物体[44](图3.c)。
图 1 各种仿生移动软体机器人系统：a-仿毛虫移动；b-仿四肢动物步态；c-主动变色掩藏；d-在危险地区行走；e-仿蠕虫移动；f-基于部分阻塞效应的致动器；g-气动电池驱动的滚动机器人；h-软硬体结合机器人；i-仿蛇形移动；j-内部爆炸供能的跳跃机器人；k-仿蝠鲼移动；l-自动软体机器鱼
图 2 选定工程与生物材料的大约杨氏模量：软体机器人主要由杨氏模量与软体生物材料相当的，或者杨氏模量在108以下的材料组成。这些材料在正常的载荷情况下展现出了极好的柔性。
2.2可伸缩电子设备
目前而言，集成化程度最高的软体机器人系统仍然依靠传统的，刚性的电子设备储存控制算法，并与系统的致动器，传感器以及供能系统相连。但是，最近在柔性与可伸缩电子设备领域有很多研究[45]~[47]。对于这些问题的具体细节讨论已经超出这篇文章的范畴，但是，随着柔性电子日渐成熟，我们希望其与软体机器人系统有更好的融合，并研发出完整的软体机器人原型机。
2.3传感技术
软体机器人的柔性与形态学决定其无法使用诸如编码器，金属或半导体应变片，或者惯性测量装置等的传统的传感器。尽管有些基于压电薄膜的弹性传感器已经商业化，但是因为软体机器人的全部传感器都要可弯曲延展，所以这样的传感器仍然不太适用[48],[49]。柔性电子产品可能会带来新的传感方式。软体机器人搭载的本体感受传感器一般以非接触传感或者与液体混合，杨氏模量非常低的弹性体为基础。因为软体机器人通过产生曲率致动，所以传感得依靠曲率传感器。杨氏模量较低（105-106Pa）弹性体传感器可以感应出下层结构阻抗的微小变化。这些传感器大多具有层状结构，用光刻技术在多层弹性体薄膜中制造细小的流体腔道。随后，往这些管道中填充导电液体。这层状管道发生几何变化的时候，剪切力传感器就可能测量出不同的应力或应变，如张力，剪应力[50]以及曲率[51]。为了解决涉及给复杂网络气道中填充导电液的工艺问题，最近的工作开始研究导体的掩模沉积[52]或者直接利用3D打印技术打印导电材料[53]。另外，外传感技术也可以用在软体机器人曲率的实时测量之中[30]。为了拓宽软体机器人的应用，兼容的化学试剂和生物传感器[54]可以用来检测外部信号。这些传感器与传统的光纤或者声学传感器相比可以更好的与软体机器人兼容。
2.4 供能系统
软体机器人面临的一大问题是如何为致动器提供可伸缩，便携的功能系统。对于气压致动器而言，现行的供能装置通常而言都不是软体的，并且十分庞大笨重。现在的独立气源大部分都是压缩机，压力泵，或者是压缩气缸[55]。如果我们把电力系统做一个类比，压缩机类似于发电机，因为他们都把电能转化为机械能，而压缩气缸则相当于电容，因为它将储存一定体积的压力流体，在需要的时候放能。小型的压缩机低效的消耗大量的电能，而汽缸虽然效率较高，但却不能保证长期续航。现在流体系统缺少的是与之相匹配的电池，化学反应可以为利用燃料的致动器提供必要的能量。便携式化学压力源，或者气体电池[28]，如图2.g所示通过过氧化氢的分解产生一定压力的气体[56]。可燃燃料也是一种具有很大潜力的高能量比化学燃料源。[57][58]
电致动器，包括电控气动系统需要软体，可弯曲，轻量的电源。与柔性电子一样，这也是最近的研究热点[59]。最近较有前景的发展包括石墨烯电池<su
资料编号：[4619]</su
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