前沿 | OMG! 哈佛大学的软体机器人被车撞、被火烤、被雪埋

一. 引言

软体机器人是一种新型的机器人，不含或含有很少的刚性内部结构，多模仿自然界中的软体动物(如海星，鱿鱼和其他)的一些身体结构。目前的柔性机器人中，比较多的是气体驱动机器人，多通过一根柔性气管从一个固定的气体源传输用于控制机器人运动的气体到机器人中。

通过柔性气管对机器人进行气压驱动有一定的优势，比如可以通过气管传递部分流体和固体，便于电子通信、数据传输和光学观察。但是，在一些复杂环境中或者完成任务条件较为苛刻时，机器人如果能够在没有柔性气管限制的情况下运动或操作，将摆脱更多的限制。

仿软体动物机器人

哈佛大学维斯生物工程研究所 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Michael T.Tolley等研究人员开发了一款气动的，不受柔性充气绳限制的移动软体机器人，并将相关的研究成果发表在软体机器人领域顶级期刊《Soft Robotics》上。

该气动无绳软体机器人由有机硅弹性体，聚芳酰胺织物和空心玻璃微球等材料组成，具有0.65米长的软体身躯和改进的Pneu-Net致动器(网格型气压致动器)，能够携带用于自主移动所需的微型空气压缩机(MAC)，电池，阀门和控制器等装置。该软体机器人能够承受最高达138kPa的驱动气压，并能够保持8kg的有效载荷，可以适应各种不利的环境条件，包括雪，水坑，直接(虽然有限)暴露在火焰中，以及被汽车碰撞。

无绳气压驱动软体机器人

哈佛大学维斯生物工程研究所

该软体机器人身体没有刚性结构，主要由连接到中心体的四条腿组成，每个中心体都有一个Pneu-Net驱动执行器，向前移动的步态不需要离开地面。目前，该软体机器人具有两种运动步态：步行步态(Ambulating Gait)和波动步态(Undulating Gait)，可以使用电池组(3,200 mAh，锂/聚合物;E-flite)在平面上驱动2小时，在步行步态中的速度>18.0 m/hr，在波动步态中的速度> 2.0 m/hr。

机器人主要由硅橡胶组成，通过将空心玻璃球体加入硅胶中，将机器人身体的重量减少了40％。同时，为了承受气动泵和控制电子设备的负荷，使用了弹性模量更高的硅胶(*7.0 MPa或1,015 psi; M4601，WackerChemicals)，从而能够以更高的内部压力驱动机器人，增加负载。使用硅橡胶材料还具有不透水、良好酸/碱稳定性、抵抗钝性冲击或施加压力造成的损坏和与人类接触安全等特性。

(左)软机器人用空心玻璃珠材料减轻机器人重量

(右)高弹性模量硅胶材料

该气压驱动无绳软体机器人可以在机器人顶部搭载一个摄像机，进而可以执行室内监视功能。如下图：(a)机器人以走动步态(Walking gait)向前移动(b，c)机器人以波动步态(Ambulatinggait)，探索左侧的通道(d)机器人使用其板载相机对隐藏的笔记本电脑进行成像(e)在被汽车驶过之前和之后在户外操作的无绳软机器人(f)机器人使其执行器减压以准备冲击(g)汽车越过软机器人的弹性支腿(h)软机器人在被汽车撞倒后启动并站立。每个图右上角的数字上的绿点表示当前启动（加压）的PN; 红点表示未激活的PN。

气压驱动无绳四足软体机器人室内监控测试和汽车碰撞试验

该软体机器人因其特殊的材料和结构设计能够承受各种恶劣的环境条件。如下图，(a)在平均气温为-9℃ (15℉)，平均风速为40km/h的暴风雪期间成功地执行了步行步态。传统类型机器人由于制作材料的问题很难在有积雪的寒冷天气中行走。该软体机器人还可以在0°C或32°F附近的温度下成功地在潮湿，泥泞的环境中行走，如下图(c)。

由于机器人身体是疏水材料，整个身体结构密封防水且耐酸，所以在水中不会受到任何损害。此外，该软体机器人还能够长时间暴露在火焰环境中，如下图(b)，使用甲烷燃烧器对软体机器人进行火焰测试，尽管暴露在极高的温度(3000 K)下，由于硅橡胶对火和高温的抵抗力，机器人仅遭受表面损伤。并会产生阻燃硅灰层，避免机器人进一步受损。

软体机器人在各种恶劣条件下测试

包括雪风暴(a)，火灾(b)和水体(c)

二. 展望

气压驱动是软体机器人的主要驱动方式，本文描述的气压驱动无绳四足软体机器人具有良好的应用前景，能够适应各种恶劣环境，并具有一定的续航能力和负载能力。未来在探测检查、抗震救灾、陪伴看护等领域具有不错的应用前景。现阶段对机器人中的刚性主体的保护手段是在外包裹一层软体材料，随着未来柔性电子技术的发展，该类型软体机器人将会有更大的适用范围和情景。

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