哈佛大学研发世界首个软环振荡器：使软体机器人实现多种功能应用广泛

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作者：欣欣向文 来源：机器人大讲堂（RoboSpeak）

哈佛大学的科研人员通过软环振荡器让软体机器人实现了滚动、波动、分类、计量液体和吞咽功能，具有广泛的应用场景。

近些年软体机器人发展迅速，功能也变得越来越强大了，他们学会了跳跃、蠕动和抓握。由橡胶硅树脂材料制成的夹具已经应用到生产线上，可以避免抓取时过大的压力对水果和蔬菜造成损害。

哈佛大学George M. Whitesides实验室一直致力于软材料替换机器人中所有刚性部件的研究，日前正尝试研制一款没有硬件和电子部件的完全软体的机器人。研究团队通过受压气体驱动橡胶的收缩和伸张替换电力驱动，实现了运动；使用软阀替换了金属气阀；甚至于采用柔性逻辑控制单元替换了传统的计算机控制。

（George M. Whitesides实验室软体机器人的相关研究）

最近该实验室研究柔性逻辑控制器的博士后Preston研制出了世界上首个软环振荡器，这种软环振荡器将会为软体机器人提供更多新的、复杂的运动功能。正如所有环形振荡器一样，软环振荡器也依赖于逆变器（数字逻辑的非门）。Preston设计的气动逆变器可以实现橡胶管两侧输入输出气压反向，即如果输入是高压，输出将会是低压，反之亦然。软环振荡器就是使用一个恒定气压源来控制一个环路上的三个逆变器，其中一个逆变器的动作将会触发下一个逆变器的动作，从而创造出一个稳定的周而复始的运动节奏，而不再需要再次推动。

为了测试软环振荡器的性能，Preston团队研制了5款软体机器人的功能样机。每款机器人都使用了一个软环振荡器。

推球功能样机 

软环振荡环控制白色弹性圆环自主推动黑色球体实现了绕圈运动；

分类功能样机 

软环振荡器驱动弹性平台做波动起伏的动作，使两种大小的球体相对边缘滚动，较小的球体将会通过弹性平台边缘的一个孔落到另一个容器中，而较大的球体因为无法通过弹性平台的孔而留在弹性平台上，从而实现了多种尺寸大小球体的自动分类，视频中三个白色的逆变器组成了软环振荡器。

滚动功能样机 

滚动功能样机是一个六边形的泡沫机器人，它每条边都有一个气囊作为执行机构，软环振荡器通过给后面的气囊充气，并在同一时间对前面的气囊放气来推动六边形机器人一次又一次的往前滚动。正如Preston所说“滚动需要同步协调多项动作，单输入和单输出是不够的，而环形振荡器一个环路上的三个逆变器的反复交替驱动，非常适合滚动运动。”

泵吸功能样机 

泵吸功能样机就是使用软环振荡器控制应用于小腿的充气治疗装置，其工作原理是通过气囊协调地施加压力，使腿部“泵吸”液体。最新研究表明这种协调泵吸运动比传统单纯的压缩更能改善淋巴水肿和慢性静脉疾病等症状，同时还可以预防因长时间站立而导致的深静脉血栓，为服务员、护士、警察等职业带来福音。该装置相比传统压缩装置更加柔弱、更加舒服，而且更加便宜，因此具有广阔的应用市场。

液体分类功能样机 

液体分类功能样机能够依据事先确定的顺序和时间对三种不同颜色液体进行分类，这个功能将会为化学研究者提供重要帮助。

Preston认为软环振荡器所能实现的功能远远不止他目前所展示的5款功能样机所展现的功能，因此他以第一作者的身份在最近一期的Science Robotics上发表了一篇名为A soft ring oscillator 的论文，详细描述了如何设计和应用软环振荡器，他希望人们能将软环振荡器应用于更多的软体机器人中，从而实现更多、更加强大的功能。

论文地址：

https://robotics.sciencemag.org/content/4/31/eaaw5496

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