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软体机器人:一场机器人的仿生进化
Sangbae Kim1, Cecilia Laschi2, and Barry Trimmer3
1麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州，美国
2意大利，比萨，圣安娜生物机器人研究所
3塔夫茨大学，梅德福，马萨诸塞州，美国
一些动物利用柔软的结构有效地在复杂的自然环境中移动。它们的这些能力启发了机器人工程师将软体技术融入到他们的设计中。他们的目标是赋予机器人新的、具有生物灵感的能力，使它们能够与不可预测的环境进行可适应的、灵活的交互。当我们回顾新兴的软体机器人系统，特别是最近的发展，尤其受到软体动物的启发。结合软体技术可以减少机器人设计中机械和算法的复杂程度。结合软体技术也将加速机器人的进化，使其能够安全地与人类和自然环境和谐相处。最后，软体机器人技术可以与组织工程结合，为医疗应用创建交互系统。
软体动物材料激发了机器人制造机器人的新浪潮，制造机器人大多被设计成僵硬的，这样他们就能在装配线上执行快速、精确、强壮和重复的方位控制任务。这类机器人系统，由刚性电磁元件(如磁铁、铜、钢轴承)或钢和铝合金制成的内燃机组成。但相比之下，在动物世界中柔性材料占优势。绝大多数的动物都是软体动物，即使是有着坚硬外骨骼的动物，例如昆虫，它们也有幼虫阶段，它们几乎完全是柔软的(蛆、蛆和毛虫)。即使是硬骨内骨骼的动物也主要是由软组织和液体构成的。例如，人的骨骼通常只占成年男性身体质量的11%，而骨骼肌则贡献了平均体重的42%。此外，在运动过程中扮演辅助角色的动物身体的部分(例如，消化系统, 呼吸系统和体温，和运动系统)也是可高度变形的。
研究动物如何在复杂的、不可预知的环境中使用软质材料来移动，这可以为在医学、搜索和救援、灾难反应和人类援助方面的新兴机器人应用提供非常宝贵的见解。所有这些情况都要求机器人与非结构化环境或人类进行意外的交互。研究软体机器人的目的是使机器人能够适应各种情况下不可预知的需求，赋予机器人非控制系统的能力，而不是以其自身的物质属性和形态决定（图1）[1]。软体机器人技术是一个不断发展的新领域，专注于研究这些机械特性和材料、结构和软件的集成。就像动物的运动是基于神经和机械控制的紧密结合一样，软体机器人的目的是通过利用柔性材料的“机械智能”来实现更好更简单的机构。
在这篇文章中，我们介绍了一些机器人系统，这些系统基本上是柔软且高度可变形的[2]。 这些机器人与其他使用硬质材料制造的机器不同，它们使用变刚度执行器和复杂控制来实现柔性[3]。 我们讨论了三种软体动物的关键生物力学特征，它们被用作不同软体机器人系统的灵感来源，并提出了未来发展的方向，即软体机器人可以与组织工程师结合在一起，用于医学应用。
来自生物学的经验
软质材料对动物的机械设计至关重要，它们的身体结构与中枢神经系统共同进化形成了一个完整的神经机械控制系统。这些软构件提供了许多优势，帮助动物处理和适应变化的、复杂的环境。它们在表面上相互作用，在更大的体积上分散压力，增加接触时间，从而降低最大的冲击力。软质材料也可使其具有高度灵活和可变形的结构，为动物提供额外的功能优势，例如使其能进入小洞以便遮蔽或狩猎。举几个简单的例子，哺乳类动物的软爪，它们的腿着地时，会抑制撞击的冲击力，而柔软的指垫和树状动物的皮肤则有助于表面贴合，从而更好地抓地或攀爬。
最终，可能是生态位决定了进化倾向的僵化或软弱。不需要快速移动或承受高冲击力的动物不需要一直坚硬的骨骼，相反，它们可以开发高度可变形的身体，使它们能够利用脊椎动物无法进行的行为和环境。章鱼可以模仿它的周围环境，毛虫可以和它们的寄主植物变得相似而获得隐蔽，而且它们都能不受约束地挤过比它们身体更小的空隙。这些是构建软体机器人的重要经验。
图1.包含柔性材料的机器人的最新发展（A）由充满粒状材料的柔性囊组成的柔软夹爪，可通过真空压力控制[56]掌握各种物体（B）一个仿照章鱼特征肌肉结构的软操作器[7]（C）GoQBot，能够在毛虫中观察到弹道滚动运动[8]（D）由压缩空气驱动的多功能软助行器[39]（E）Meshworm通过收缩它的身体达到蠕动运动，由柔顺网构成[6]。
由于它们的特点，软体生物结构有一些明显的局限性。柔软的动物往往很小，因为没有骨骼，它们很难支撑自己的体重。所有超大的软无脊椎动物都是在水(鱿鱼和水母)或地下(巨型蚯蚓)中发现的，它们的身体是由周围的介质支撑的。类似的限制也适用于柔软的机器人，需要仔细挑选材料来匹配机械的尺寸和功能。此外，软组织的高变形性和吸能性使它们无法发挥大的惯性力，并且限制了软体动物从一个地方移动到另一个地方的速度。但是这并不妨碍身体的不同部位在低负荷下快速移动。章鱼可以利用其手臂的固定体积、低纵横比的几何形状迅速伸展四肢[4]，而肉食性毛虫可以在几百毫秒内发动攻击进行捕猎[5]。然而，考虑到这些因素，陆地上的软体机器人可能比老鼠更大，它们将会为了更好的性能，利用高灵活性的优点，将刚性组件结合起来。
软体动物和软体动物仿生机器人
开发使用柔性材料的机器人的一个问题是，我们目前还没有关于如何控制这种无约束结构的一般理论。机器人工程师们已经开始通过构建基于神经机械策略的机器人模型来开拓这一方面的知识，这些模型是软体动物用来移动的，包括环节动物[6]，软体动物(主要是章鱼)[7]和昆虫幼虫[8]。
蠕虫和蠕虫仿生机器人
从生物力学角度来看，蠕虫是固定容积的液压调节器。他们通过通过帕斯卡原理转化力和位移来模仿杠杆的机械动作。 纵向肌肉收缩使身体缩短并增加其直径，而周围肌肉的收缩使直径减小并拉长身体[9,10]（图2）。 蠕虫通过使用圆柱形部分产生收缩和扩张的行波来实现运动，这一过程类似于肠蠕动。 运动方向和行波可以相同或相反，这取决于与地形接触的时间点[11]。
许多类似蠕虫的机器人是基于流体静力结构而开发的，具有一系列的硬和软执行机构。其中一个例子是使用压力执行器与空气阀、金属弹簧和热塑性轴承[12]，环形机器人使用安装在硅树脂表面内的印刷电路板上的绝缘弹性体叠层产生蠕虫状运动[13]。许多像蠕虫一样的机器人已经使用了形状记忆合金(SMA)执行器，这种致动器在蠕虫状爬行器[14]中率先使用，后来被用于模拟游泳过程中的连接分段蠕虫
图2.地球蠕虫机器人。 （A）Oligochaeta的肌肉结构，其形成不具有骨架或关节的拮抗对。 （B）包含纵向和周向人造肌肉的网状结构，产生类似于Oligochaeta中配对的拮抗配对。 （C）各种致动模式演示。
机器人[15]。网格蠕虫是使用SMA技术的最新设备(图1E)[6]。网格蠕虫是基于恒定长度的设计，而不是基于恒定体积设计。径向SMA在一个部分的牵引导致了相邻节段的径向膨胀，而推进则来自于与地面接触的蠕动波。 检测每个段的长度由线性电位计提供反馈。使用迭代学习，调整每一个SMA驱动的持续时间，以最大化网虫的速度或其移动距离和能量消耗率。采用纵向SMA线圈代替两种被动肌腱来实现转向。一个线圈的激活缩短了机器人的一侧，并使它的运动偏向那个方向。这个机器人演示了软体技术的一个关键特性:它可以用锤子反复敲打，但仍然可靠工作。
毛虫和毛虫仿生机器人
尽管有时与蠕虫混淆，但昆虫的幼虫阶段具有完全不同的解剖学和运动特征。诸如蝇幼虫（蛆）和待着不动的膜翅目幼虫（例如黄蜂）等穴居物种通常缺乏四肢，但蝴蝶和蛾幼虫是高度灵活的爬行动物，具有发育良好的被称为前肢的抓握附肢。虽然他们的身体似乎是分割的，但这些部分之间没有内部分隔，只有一个连续的体腔叫做血膜。 毛虫的肌肉组织非常复杂，多达2000个运动单位分布在各处。 没有周向肌肉，只有纵向肌肉，斜肌，以及许多附着在四肢和其他身体部位的小肌肉（图3A）。 毛虫可以通过调节压力来增加身体刚度，使他们可以悬空身体穿过间隙，但他们似乎并未将压力作为大多数其他运动的主要控制变量[16-18]。
毛毛虫通过在基质上施加压力(即所谓的“环境骨骼假说”)[19,20]和控制身体张力的释放来爬行和攀爬。肌肉收缩的波看起来并没有紧密的协调[21,22]，但主要是为了重新分配弹性组织中储存的机械能[23]。运动的协调是通过控制基体附着的时机和位置，通过在前腿末端的钩子(24,25)控制。钩子用一种完全被动的方式抓握，但释放是由一组由三个运动神经元控制的牵开肌来主动完成的[26,27]。这是值得注意的，因为一个单腿可以产生足够的抓手来防止任何向前的运动。因此，不管衬底的形状或质地如何，抓握释放都必须完全可靠。对牵开器肌肉进行精确控制，或者每步调整以补偿附肢的变化的可能性不大。更有可能的是，前腿很软的部分被变形，以自动重定向肌肉力量，以确保钩爪从底物中释放出来。该系统似乎是形态
图3.卡特彼勒式机器人。 （A）毛虫作为研究软体运动控制的模式生物（这里显示的烟草角蛾Manduca sexta）。 每个部分包含许多纵向和倾斜的肌肉。 （B）一种柔软的有机硅弹性体机器人（GoQbot），它与成对的纵向形状记忆合金（SMA）线圈致动器模仿Manduca主体。 （C）利用SMA的协调收缩实现的柔软体的形态和弹性储存的快速弹道轧制。
学计算的一个很好的例子，并说明了实施过程在软体机器人设计中的重要性[1]。这些类似毛虫的机器人展示了高度可变形设备的重要特征：它们可以变形以利用其他身体形状。 就比如，GoQBot（图3B）有一个细长的窄体，可以变形成一个圆。 当快速完成时，这种变化释放出足够的弹性势能来产生弹道滚动运动（图3C）[8]。 GoQBot在100ms内改变了构象，产生了大约1G的加速度和200rpm，足以以200cm / s的线速度推动10cm长的机器人。
章鱼和章鱼仿生机器人
一些最复杂和最复杂的软体运动是由头足类动物（例如章鱼和鱿鱼）完成的。 头足类动物可以改变它们的形状以模仿环境或其他动物，并且它们可以使它们的身体完全变形，例如立方体箱子。 这种卓越的物理流动性以及操纵物体的能力使得章鱼成为一种有吸引力的模型[28]。
每只章鱼的手臂上都有肌肉组织成不同的解剖组[29,30]。横肌的中心块将纤维从周围延伸至纵向肌纤维束，形成交错层。
它们都被三组斜肌层围绕着，螺旋的左右螺旋沿着触手的长度延伸。触手通过缩短、伸长、弯曲或扭转来表达形状，而力可以通过局部或全部变硬来施加[30]。肌肉组织保持恒定体积，这使章鱼能够利用流体静力原理交换和力。
通过立体的运动，已经证明了章鱼可以通过降低自由度来简化控制。例如，在一种叫做“触手延伸”的行为中，一股加强和矫直的波浪形成了一个传播的被动弯曲[31-33]。类似地，手臂的局部弯曲(假关节)可以在一些抓取动作中看到[32,34]。然而，绝大多数章鱼运动非常复杂[35,36]不能仅靠这种固定的运动来解释，可能是由每只章鱼手臂内的5000万个外围神经元所控制[33,37]。
已经开发出各种章鱼式机器人，大多采用广义分区变形的概念来实现肢体运动[38,39]。 一些解决方案，例如OctArm机器人，使用可在所有方向弯曲的气动肌肉[2]。气动方法用于步行机器人，该机器人由硅胶弹性体层组成，包含嵌入式通道，可通过流体或空气加压。 通过仔细设计腔体大小，壁厚和几何形状，这些腔体选择性地充气和放气可以产生各种步行步态[39]。 随着与高度可变形车身结构兼容的泵，阀门和电源的开发，将有可能构建能够实现高分辨率，复杂运动的嵌入式气动网络。
另一种完全柔软的机械手的方法更直接地建立在章鱼手臂运动的解剖和机制上[40,41]，特别是模拟柔性执行器的纵向和横向布置，如肌肉液压调节器[42,43]。一个塑料纤维编织层构成了这个机器人手臂高度可变形的机械结构[7]，而由SMA 弹簧[44]组成的柔性制动器则是横向和纵向排列的，以产生局部变形[45]，如图4所示。整体弯曲是通过纵向电缆获得的。 手臂在水中工作，利用与环境的相互作用，如动物模型所观察到的，可以拉长、缩短、弯曲和变硬。运用类似的方法，但使用硅胶和电缆，制造出了第一个具有操纵和运动能力的软体机器人[46]。 在此基础上，水中的章鱼运动策略已经被开发出并应用于机器人的设计
图4.八达通机器人。 （A）八爪鱼（Octopus vulgaris）用一只手抓住人的手指。 （B）在水中，章鱼仿生机器人触臂环绕在人的手腕上 。（C）章鱼机器人手臂的细节。 外部编织物代表触手的机械结构，在保持触手形状的同时允许局部和整体变形（经过The Lighthouse的Massimo Brega许可复制）。 （D）产生局部直径减小的SMA弹簧的细节（经灯塔Massimo Brega许可复制）。
中。 它是通过利用水中重力的作用，触手的缩短/伸长功能，触手对物体的粘附以及使触手的一部分变硬能力来实现的。其成果是一个六肢机器人能够在水中运动并通过在他们周围包裹的一个肢体来抓住物体。
软体技术在机器人技术中的挑战
驱动
软体机器人最大的挑战之一就是设计具有高力量的柔性驱动系统，以复制动物体内肌肉的功能。 软体动物改变身体形状的能力取决于大量分布在身体上的肌肉。 目前有三种流行的驱动技术。
第一种技术是使用由柔性材料制成的介电弹性体(DEAs)，它通过静电力驱动——这是对人造肌肉探索的一个重要进展[47,48]。
尽管该技术具有较高的性能指标(高应变/应力和质量比功率)，但它也有局限性。(i)大多数使用DEAs的设计都
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