2016年，这十篇论文让“软体机器人”不再遥远

和传统印象中冷冰冰硬邦邦的机器人相比，“软体机器人”的灵活性和环境适应性更高，也更接近于自然界中真实的动物。过去十年中，软体机器人相关领域的研究在世界范围内逐渐兴起并形成了完整的研究体系。2016年8月，世界上第一个全软体机器人：章鱼型的“octobot”诞生，让更多人了解到了这一领域。而2016年“软体机器人”的突破，还不仅于此。

撰文  赵维杰

目前的软体机器人中，成机以蠕虫状或章鱼状居多，而软体抓手等实用性的工具已经取得了实际应用。在动力驱动原理方面，软体机器人的驱动器（actuator）主要分为两种类型：一种是气动或液动的，也就是在软体机器人内部设置容纳气体或液体的管道，通过管道中流体的流动产生推力，octobot 所使用的就是这样的系统；另一种驱动器又被称为“人造肌肉”，是利用可以响应外界刺激而产生形变的新型材料作为驱动器，其中最为著名的一种材料被称为“介电弹性体”，这种弹性材料可以在外界电压的作用下产生巨大的形变，并具有做功能力，与天然肌肉颇有相似之处。

我们整理了 sciencedaily 网站上报道过的，2016年中软体机器人相关的研究工作，并重新整理介绍，在这里推荐给大家。这些研究有些与驱动器的进展相关，有些制造了完整的软体机器人（比如 octobot），也有些微妙的小技术可以让未来的软体机器人更智能、更像人类。

---

1，利用静电力的软体抓手，可抓取自身重量80倍、形状复杂的脆弱物体，为食品加工业的自动化生产带来新的选择。

软体抓手抓取水球、生鸡蛋、纸张等形状复杂的脆弱物体

此项研究发表于2016年1月13日的 Advanced Materials，由瑞士科学家完成。抓手的“手指”由软性材料制成的多层电极构成，可以在通电条件下发生形变，并与被抓取物体之间产生静电吸引力，从而抓取物体。其原理与气球经摩擦后粘在头发上类似。

文章信息：Jun Shintake, Samuel Rosset, Bryan Schubert, Dario Floreano, Herbert Shea. Versatile Soft Grippers with Intrinsic Electroadhesion Based on Multifunctional Polymer Actuators.Advanced Materials, 2016; 28 (2): 231 DOI: 10.1002/adma.201504264

2，超弹发光电容——智能软体机器人的新“皮肤”。

拉伸后“皮肤”的发光强度增加

这项工作发表于2016年3月4日的 Science 杂志，由康奈尔大学的科学家们完成。他们制造的这种超弹发光电容可以拉伸4倍以上，而发光亮度随拉伸强度增强而上升。这种材料可以用作智能软体机器人的“皮肤”，通过光强变化显示软体机器人的运动情况，实现“人机互动”。

文章信息：C. Larson, B. Peele, S. Li, S. Robinson, M. Totaro, L. Beccai, B. Mazzolai, R. Shepherd. Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing.Science, 2016; 351 (6277): 1071 DOI: 10.1126/science.aac5082

3，菲尔德金属遇见多孔有机硅：低温可变形的坚实材料。

可变形材料被填充于软体触手内部，充当“骨骼”。左图：初始形状；中图：高于62℃条件下，软体触手发生形变（由外包的软体材料驱动器驱动形变发生），骨骼随之弯曲；右图：降温后，解除外包软体驱动器的驱动，由于内部骨骼的形变被保留，触手整体维持弯曲状态。

这项研究由康奈尔大学的科学家完成（没错就是上面那项发光皮肤工作的研究组），作为封面文章发表于2016年4月13日的 Advanced Materials。菲尔德金属是铋、铟、锡的共晶合金，熔点62℃，由于不含铅而具有良好的生物相容性。研究人员将菲尔德金属注入能产生高度形变的多孔有机硅泡沫结构内部，得到了这种可以在低温（62℃算低温啦）下改变形状的刚性材料。这种材料与软性材料的结合运用，可以为软体机器人的整体设计提供更多可能。

文章信息：Ilse M. Van Meerbeek, Benjamin C. Mac Murray, Jae Woo Kim, Sanlin S. Robinson, Perry X. Zou, Meredith N. Silberstein, Robert F. Shepherd. Morphing Metal and Elastomer Bicontinuous Foams for Reversible Stiffness, Shape Memory, and Self-Healing Soft Machines.Advanced Materials, 2016; DOI: 10.1002/adma.201505991

4，真空驱动器，让“人造肌肉”实现收缩。

“人造肌肉”的收缩带动骨骼运动并托起排球

这项研究来自哈佛大学的科学家，发表于2016年6月1日的 Advanced Materials Technologies。原有的软体驱动器，尤其是气动驱动器，大多是通过向软体材料的特定区域充气，使特定区域膨胀而产生运动。而在此项研究中，研究者们通过在软体材料内部制造真空，实现了人造肌肉的收缩而非膨胀。这种新型的人造肌肉更加接近天然肌肉的运动模式，并且由于收缩运动没有因充气过度而爆炸的危险，这种人造肌肉也更加安全。

文章信息：Dian Yang, Mohit S. Verma, Ju-Hee So, Bobak Mosadegh, Christoph Keplinger, Benjamin Lee, Fatemeh Khashai, Elton Lossner, Zhigang Suo, George M. Whitesides. Buckling Pneumatic Linear Actuators Inspired by Muscle. Advanced Materials Technologies, 2016; DOI: 10.1002/admt.201600055

5，更好的介电弹性体驱动器：低电压、高能量密度、无需硬质边框。

介电弹性体薄膜在电压作用下发生形变

这项来自哈佛大学研究人员的工作发表于2016年9月28日的 Advanced Materials。介电弹性体驱动器有优于气动/液动驱动器的形变速度和灵活性，但其所需的高电压，以及对驱动器预拉伸和硬质边框的需求影响了它在软体机器人中的应用。本研究将介电弹性体与碳纳米管电极相结合，制成的新型介电弹性体驱动器所需电压更低、能量密度更高，并且不需要借助任何硬质材料即可发挥功能。

文章信息：Mihai Duduta, Robert J. Wood, David R. Clarke. Multilayer Dielectric Elastomers for Fast, Programmable Actuation without Prestretch. Advanced Materials, 2016; DOI: 10.1002/adma.201601842

6，微型光控软体虫：光敏液晶弹性体的新世界。

软体虫在绿光驱动下前进，底部标尺为5毫米

这项研究由波兰华沙大学的科学家完成，发表于2016年11月的 Advanced Optical Materials 杂志。在这项研究中，研究者们使用可以在绿色激光照射下发生形变的弹性液晶材料，制成了长度1.5厘米的人造软体蠕虫，这种软体虫可以在平面爬行，也可以爬坡或者从狭窄缝隙间通过。

文章信息：Mikołaj Rogóż, Hao Zeng, Chen Xuan, Diederik Sybolt Wiersma, Piotr Wasylczyk. Light-Driven Soft Robot Mimics Caterpillar Locomotion in Natural Scale. Advanced Optical Materials, 2016; DOI: 10.1002/adom.201600503

7，Octobot：世界首个全软体机器人诞生。

卷起触手的 octobot

这项成果发表于2016年8月25日的 Nature 杂志，由哈佛大学的科学家完成。Octobot 的整体结构由3D打印成型，内嵌的化学气动驱动器亦为全软体结构。在 octobot 内部，过氧化氢经简单的化学反应生成气体，并经过管道系统被输送到特定触手的特定部位，使得触手在气体膨胀作用下发生形变，完成运动功能。

文章信息：Michael Wehner, Ryan L. Truby, Daniel J. Fitzgerald, Bobak Mosadegh, George M. Whitesides, Jennifer A. Lewis, Robert J. Wood. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature, 2016; 536 (7617): 451 DOI: 10.1038/nature19100

8，能够精确预测弹性体运动模式的控制模型：让软体机器人更加可控。

弹性体在气动驱动器作用下发生形变的模拟（上）和实验（下）结果对比

这项研究发表于2016年9月27日的 Scientific Reports，完成者为瑞士科学家。研究者通过计算机模拟，建立了可以精确预测弹性体在气动驱动器作用下产生的运动和形变的模型，这个模型有助于未来软体机器人的设计与控制。

文章信息：Gunjan Agarwal, Nicolas Besuchet, Basile Audergon, Jamie Paik. Stretchable Materials for Robust Soft Actuators towards Assistive Wearable Devices. Scientific Reports, 2016; 6: 34224 DOI: 10.1038/srep34224

9，可拉伸光导：让软体机器手拥有“触觉”。

软体机器手划过鼠标（C）；通过内置可拉伸光导“感觉”到的鼠标形状曲线（D）

这项来自康奈尔大学研究人员的工作发表于2016年12月6日的 Science Robotics 创刊号。研究人员在软体机器手的手指内部植入一组可拉伸光导（光纤），随着机器手手指的形变，光线在光导中通过的能力也会发生改变。通过对光导透光能力的监测，就可以实现对于机器手与被触碰物体之间压力的感应，从而使机器手拥有“触觉”。

文章信息：Huichan Zhao, Kevin O’Brien, Shuo Li, Robert F. Shepherd. Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides. Science Robotics, 2016; 1 (1): eaai7529 DOI: 10.1126/scirobotics.aai7529

10，数学模型：让软体机器人复杂运动设计模块化。

在该模型指导下设计制造的软体“手指”可以精确模拟人类手指的运动模式

这项来自哈佛大学的工作发表于2016年12月13日的 Proceedings of the National Academy of Sciences。研究者们建立了用于精确模拟和预测气动软体手指运动模式的数学模型，依据该模型设计制造的软体手指可以精确模拟人类手指向内弯曲、拇指向外弯曲等复杂动作。这一工作为软体机器人的模块式设计提供了可能。

文章信息：Fionnuala Connolly, Conor J. Walsh, and Katia Bertoldi. Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016; DOI: 10.1073/pnas.1615140114

---

参考文献：

软体机器人结构机理与驱动材料研究综述，李铁风等，力学学报，2016年7月

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]

---

这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：

· 关注科学进展与科研生态

· 推荐重要前沿研究

· 发布科研招聘

· 推送学术讲座与会议预告。

欢迎长按二维码关注。