动力抄袭捕蝇草，肌肉 copy 老鼠的软体机器人，爆火靠啥真本领？｜HyperTech

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软体机器人 —— 对，就是你立即想到的那种软性的、像机械生物一般的机器人，有趣之处就在于它的灵活性。

这项特质让 NASA 研发的软体机器人在火星表面自在游走，体内软体机器人能够钻进人体最深处，探测机器人能够在火灾、地震现场获取第一手信息。

软体机器人能够任意变换形态主要依靠其材料的延展性。目前的策略主要是使用纳米材料来赋予它像章鱼皮肤那样柔软、黏糊糊的触感，这种设计能够最大程度地模拟生物功能，让它实现 「肌肉」的作用。

很多软体机器人都在设计中嵌入了生物性功能。它们能够精确地感知环境并做出相应的动作调整，一定程度上建立肢体反馈，甚至具有相当的自主性。

但高度的延展性、灵活性和自主性向设计者提出了一个难题：如何为软性机器人提供动力？

进击的「捕蝇草」

刚性机器人的动力来源主要是电力。但对于软性机器人来说，想要精确操纵“肌肉”，需要像生物那样遍布每一个角落的血管和神经网络。而目前的电力并不能够支持如此精细化的能量传输。

因此，设计师开始将目光转向自然界。

机器人设计专家 Alfred Crosby 曾在《自然》杂志材料学特刊上发表了一篇关于聚合物材料动作的研究：受到自然界中食肉型植物的启发，软性机器人可以模拟这种植物的捕食动作。

研究者通过分析捕蝇草的行为发现，捕蝇草的枝蔓细长，却能在瞬间爆发出强大的力量使叶柄转动，从而操纵叶片合拢。这并不代表着植物能够主动弯曲自己的枝干，相反，这是由一系列相互转化的作用力形成的。

当捕蝇草叶片上的刚毛被昆虫刺激时，叶片根部会产生大约 100 mV 的动作电位传导到叶片上。电流刺激会引起叶片内侧的水分迅速流失，使叶片内外侧形成压强差；当外侧的压强比内侧高出一定程度后，叶片就会迅速向内合拢。

捕蝇草受到电流刺激后，内侧叶片失水形成内外压差，导致叶片闭合 | youtube.com

利用上述液压原理设计的软性机器人驱动装置最早便是在植物的基础上研究出来的。

2015 年，软性机器人专家 Barbara Mazzolai 设计了一个模拟卷须植物的软性机器人。这台机器人由柔性 PET 管制成，管中充满了带有带电粒子（离子）的液体。这些粒子被固定在卷须底部的柔性电极表面上；同时，机器人体内还嵌有一枚 1.3 伏电池。

通电时，带电粒子被电力吸引、移动，随即便带动液体移动，卷须便可以在内部液体的驱动下收缩、伸展。

软性机器人专家 Barbara Mazzolai 设计的卷须机器人 | gssi.it

和液压驱动相似的驱动方式还有气动，二者是目前最主流的软体机器人驱动方式。气动的原理和液压基本相同，只是将内部的液体换成空气，再由电路控制气压开关。

但这种方法需要复杂的组件，如电路板、阀门和泵。而这些组件通常在机器人身体之外，并不便携。并且，这些构成机器人大脑和神经系统的组件体积庞大且价格昂贵。

加州大学圣地亚哥分校的机器人工程师 Michael T. Tolley发明了一种可以放在机器人内部、重量轻、成本低的气动装置。这种装置由管道和软阀组成。机器人可以根据指令行走，也可以响应从环境中感知到的信号。

Michael T. Tolley 研发的气动机器人 | engadget.com

该机器人还配备了简单的机械传感器 —— 在机器人触足末端，充满液体的 「水气泡」。受到压力时，液体便会被挤压进触足内部的阀门，向反方向施加作用力。

除了这些优点，这台机器人还模仿了章鱼的神经回路。这种神经回路具有多个处理中心，位于每个触足内部，可以有节奏地控制行走和跑步。

软性机器人如何秀「肌肉」？

如果软体机器人在驱动方式上只是在模仿自然的机制，并不具有真正生物性的话，软体机器人在材料方面似乎「剽窃」得更加直接。目前，研究者已经开发出真正具有生物性质的材料。老鼠的肌肉组织，植物纤维，DNA，微生物纤维素都已经被用于软性机器人的制作材料。

例如，美国伊利诺伊大学机器人研究小组开发出一个机器人，具有真正的生物肌肉组织。研究者首先提取大鼠出大鼠的肌肉细胞，「种植」到机器人的骨架上。他们甚至还整合了来自大鼠的一段腰椎脊髓，将其与肌肉组织连接起来。这样，机器人便能够控制肌肉自主行走。

用生物肌肉组织制作的软体机器人 | youtube.com

相比于照搬生物的组织细胞，另外一些研究则尝试从生物的机体功能上获得一些灵感。大量的肌肉细胞为生物提供了精细运动的基础，而高自主性的神经系统也同样功不可没。

探知外界信息，将信息传回神经中枢，经神经中枢分析后，再将指令传回终端，生物体内信息调控和传导都依靠复杂的神经网络。软体机器人可以模拟生物的灵活性，却无法模拟精细化调控需要的高智能处理器。同时，软体机器人的动作还依于赖大量的外界信息反馈，因此对于传感器的质量和数量要求也很高。

研究人员再一次从自然界获得了灵感：能够独立运作，不需要神经系统统一支配的生物心肌细胞。

通常，神经冲动在生物细胞间的传导是依次、顺序进行的；而心肌细胞以及很多平滑肌细胞都能够在没有统一调控的状态下进行自主运作。

研究人员模拟心肌细胞相对独立的工作方式，开发神经网络架构，不需要过于密集布置传感器，同时又可以高速有效地完成任务。

首先，研究人员将机器人的各个感应范围划成单独的片区。每个片区在神经网络中对应不同的节点，对所在片区的信息进行单独分析。

通过反复试验，神经网络「学习」了完成任务的最有效的动作序列，例如抓取不同大小的物体。同时，网络会跟踪最常使用的区片，并从输入集中剔除较少使用的粒子，以供网络后续试验使用。

目前，软体机器人产业仍在科研中持续进步。近年来材料科学、机构学和控制科学的进展为软体机器人的研发打下良好的基础，领域内也已经出现一些初创公司专门研究软体机器人在外骨骼、医疗器械以及工业生产中的应用。Hypertech 在上一篇文章里，介绍了 SpectroPlast 、Squishy Robotics 等专注软性机器人研发与应用的公司。在未来，软体机器人在其他领域的潜力将持续被挖掘。

原文链接：

1. Soft Robot Features

   https://go.nature.com/3y4PLlT

封面图片: Advanced Materials

编辑：之雍 & flaash

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