以柔克剛，軟體機器人的崛起

撰文 | 微胖

2017 年 2 月 14 日，情人節。

在位於馬薩諸塞州劍橋市的軟體機器人公司 Soft Robotics ，一名工作人員將一款心形棉花糖放在傳輸帶上，接著，機械手將這些棉花糖一個個夾起來，輕輕放進附近盒子里。機器手由四方橡膠、亮藍色指狀物組成，指狀物可以猛地咬住目標，就像章魚捕捉獵物一樣。

雖然談不上浪漫，但這是值得紀念的一幕。機械手可以根據物體形狀更自動妥帖的調整「手」的形態，成功操作柔軟不規則物體——棉花糖，全程無需計算機視覺系統或任何預先編好的程序來識別物體。

上市以來，Soft Robotics 機器手在食品運輸領域取得了最大成功。如今硬體廠商和零售商利用該公司的機器手，抓取並打包從巧克力、注塑模具到披薩生麵糰的任何東西。

「我們關注這項研究已經很長一段時間了，它現在終於從實驗室走向商業化。」哈佛大學軟體機器人專家 George Whitesides 說。Soft Robotics 公司出自他在哈佛大學的研究小組。

過去五年，軟機器人技術正在爆炸。「世界第一個全軟體機器人 Octobot 的誕生，意味著一個新時代已經來臨，軟體機器人即將全面超越傳統鋼鐵鑄成的機器人。」義大利理工學院的 Barbara Mazzolai 和 Virgilio Mattoli 聯合在《自然》雜誌上撰文表示。

現在，機器人應用從 95% 的工業應用擴展到更多領域的非工業應用，比如手術、採摘水果、剪枝、檢修、偵查等。微型機器人已成為一個新方向。「軟機器人將會是一個非常大的交易市場。它將擁有一些硬機器人沒辦法實現的能力，為機器人領域打開一扇新大門。」George Whitesides 說。

軟體機器人先驅、MIT 機器人實驗室主任、美國國家工程院院士 Daniela Rus 將軟體機器人列為機器人領域十二大前沿技術趨勢之一。在接下來幾年，人類將看到使用與人類體膚接近材料的軟體機器人，全球領先電子行業媒體 AspenCore 分析認為，軟體機器人將崛起。

倉庫里的機械手

將一定比例的飯，魚肉和其他美食打包到一個塑料餐盒，即為一份便當。在日本，便當市場規模達 70 億美元。但是，深夜為便利店備貨便當的苦差事，仍然依賴人工。豆腐、蔬菜很軟，形狀也不規則，傳統機器人很難抓取，安川電機運動控制負責人 Akira Kumagae 說。安川電機正進入新的機器人應用場景——食品行業。

「機械手（manipulator）是典型機器人難題之一。」Daniela Rus 在其發表於 Nature 文章 Design, fabrication and control of soft robots 中 寫到。身為生鮮食材「搬運工」的凈菜電商也面臨同樣問題。據報道，美國凈菜市場總額為 22 億美元。中國電子商務研究中心的一份報告顯示，2017 年國內生鮮電商整體市場規模可達 1500 億元。

「在抓取和操作未知物體方面，軟體系統有著天然優勢，因為軟性抓取器可以通過簡單控制策略，自適應各種目標物體。」Rus 寫道。傳統機器人抓起一隻球，需要感知周圍，計算手指與球之間的精確距離，還要算出手要放置的確切位置以及需要施加多大力道。軟體機器爪只需一個充氣的命令。充滿氣後，它的形狀會和物體外形一樣，「手指」也有了充足抓力來提起物體。

就像我們的手會自動適應要拿的物體。「自然——真實世界，是彎曲的。」位於舊金山的獨立研究實驗室 Otherlab 的聯合創始人兼首席執行官、軟體機器人專家 Saul Griffith 說。

據報道，在歐美，德國凈菜電商 HelloFresh（也是歐洲最大，最先 IPO 的凈菜電商）、 最近擬 IPO 的美國凈菜電商 Blue Apron，還有 Plated 都使用了軟體機器人。今年早些時候，位於北京的軟體機器人創業公司軟體機器人技術（Soft Robot Technology）推出了一款硅膠材質「機械手」。充氣時，這款柔性夾爪會脹大，自適應包覆住不同尺寸、形狀和重量的目標物體。據介紹，現階段這款柔性爪夾的重複定位精度在 0.1mm，其最高抓取速度可以達 150 次/分鐘，使用壽命可達 300 萬~600 萬次，較傳統設備提高了 6~30 倍。

對電商來說，「區分並決定如何移動物品仍然是瓶頸。」歐姆龍的工廠機器人感測和控制專家 Masaru Takeuchi 說。前電商時代，商家僅需成箱將貨物運到零售店即可，但電商時代，需要為每一筆訂單取貨並打包，一支筆、一袋洗衣服、一盒蛋糕甚至一塊橡皮或唱片。目前，在大多數電商配送中心，揀貨是勞動力成本最高的環節，也是自動化程度最低的環節之一。

Soft Robotics 的靈活爪夾可以實現從盒子里隨機抓取物體。SRT 創始人、CEO 高少龍在接受媒體採訪時表示，他們已經針對烘焙產品、高品質注塑品、生鮮果品、生鮮肉、3C 裝配、日化品等 7、8 個品類進行了產品設計和加工製造。目前，公司已與工業機器人、真空產品企業以及電商等建立了合作關係。

軟體機器人的優勢很明顯：為其建立計算機視覺和導航系統時，不需要和硬機器人一樣的精確性。這也可以暫時彌補深度學習尚未解決這一問題的不足。

據悉，iRobot 也有軟體機器人項目。「 胳膊與手會是第一個（研發）領域」，公司的戰略技術研發負責人Chris Jones 說，「可充氣結構既可以非常結實，降低壓力後，也會變得非常柔軟。降低了你所需要的精準度。」

對包裝公司來說，模塊化 Flexi-Grip 機器人也有吸引力。「 因為它們可以可靠的處理各種物品，就像人的手指一樣。帶有剪刀手的硬機器人不能真正做到這一點。」Pneubotics 公司 CEO Carl Vause 說，它已經與幾個客戶簽了合同。

ABI Research 的一項新研究指出，從 2015 年到 2020 年，協作機器人市場規模有望翻十番，達 400 億美元。「傳統機器人的一大問題就是安全性。」CMU 軟體機器人和仿生實驗室的 Christopher Atkeson 說。

現在的電機機器人手臂依賴齒輪減速，越能負重的手臂會因齒輪組量而越笨重。他們的動作看起來輕盈，但是，硬體系統的組成特點讓他們始終存在安全隱患。單在美國，每年工人工傷索賠的金額達 130 億美元，生產上相關的損失和未報告的索賠將高達 500 億美元。

一些研究人員研發出人造皮膚給硬機器手臂穿上，當人類出現在設定距離範圍內時，機器會自動停止工作。離開後，機器又會自動工作。

極客初創公司 Pneubotics 的辦法是氣動工業手臂。最昂貴的部件是感測器而不是電機，主體由布質材料縫製而成的，氣體從氣動閥門出發向不同形狀的空腔壓縮空氣，氣動機器人利用氣動肌肉或者氣動原理驅動，在同等負重的條件下，氣動機器人手臂重量可以比傳統機器人手臂小几十倍，在失控情況下也不會對人造成傷害，可以實現和人長期的近距離接觸。

「現在服務機器人的手臂非常貴，軟體機器人卻可以讓它的手臂更輕薄，成本也更加低廉。而且軟體機器人採用的是新型柔軟材料，在與人互動過程中的安全性更高。」中聯重科的軟體機器人專家陳剛接受媒體採訪時表示。

更加聰明、安全的醫療設備

「在其他行業，軟機器人技術將有很大的影響，將會用於醫療保健和康復，以及老年及幼兒設施。」哈佛大學的 George Whitesides 說。

不久前，科羅拉多大學波爾得分校實驗室的工程師 Franck Vernerey 研製出了一種專門用於藥物治療的蛆型軟體機器人，這種機器人可以通過溫度指引在人體內爬行，為特定部位運輸藥物。

藥物治療是一種很古老的治療疾病方式，但並非最佳方式，針對性不強，對身體的其他部位也有副作用。研究人員希望將藥物直接送至傷口或病源處，但人體的結構並非像路面一樣平坦，不僅曲折而且脆弱，腫瘤形狀本身也很不規則。

由於身體容易彎曲，軟體機器人可以進入人體行動。從理論上講，小型可移動機器人是一種更有針對性的治療方法，能夠把藥物送到指定部位或撕裂腫瘤，Vernerey 說。

Vernerey 利用水凝膠再現蛆的蠕動過程，為了滿足機器人在體內的爬行需求，他準備將磁性納米材料嵌入水凝膠中。

哥倫比亞大學生物醫學工程教授 Samuel Sia 很看好通用小型軟體機器人的醫學潛力。柔軟的、移動型小機器人某天可成為身體內部的修復團隊，從身體裡面完成醫生的工作，Sia 說。

Sia 的實驗室研發了一種 3D 列印的軟體機器人——可植入體內，定點釋放藥物。成果發表在 Science Robotics。研究的靈感來自瑞士鐘錶匠發明的 Geneva drive，一種兩個齒輪構成的能夠產生精準走時的機制。

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列印材料是水凝膠，身體沒有電池，也不適用電線。將它植入到腫瘤區域附近的皮膚表層下之後，醫生只需在外部用一塊磁鐵朝腫瘤方向移動，皮膚下的機器人就會跟隨磁鐵將所攜帶的藥物運送到指定位置。這款機器人只有 6 英寸長，只需 30 分鐘便可用 3D 列印製成。

這種設備非常適合這個個性化醫療的新時代。「醫生希望了解病人的進展狀況然後據此修改治療方案。」Sia 說。他已經在患有骨癌（bone cancer）的小鼠身上對這種裝置進行了測試，結果很激動人心。

可摺疊機器人為我們提供了另一種思路。「對於應用在人體內的機器人，我們必須讓它盡量精巧，可控，這就必須有傳統機器人以外的創意。如果讓機器人由一條繩子控制，讓它準確地在人體內行動是非常困難的」。Rus 說。

去年，MIT、謝菲爾德大學及東京工業大學共同研發出一種可摺疊機器人。它能遇熱自動伸展，可以作為醫用膠囊，通過外部的磁鐵控制其行動方向，它可以爬進胃裡，將用戶誤吞食的電池取出，甚至修補人體內的破洞。

不過，在哈佛大學研究人員看來，這款可摺疊機器人雖然解決了電池或電線的問題，但設計過於簡單。前不久，哈佛大學威斯生物工程研究所於約翰·A·保爾森工程與應用科學學院的科學家們研發出一款外部供電的無線可摺疊機器人，形態和功能更加複雜。

該系統只需要在機器人身上安裝基本被動電子元件，用來產生電流。改變磁場頻率，即可引導關節摺疊運動。這款摺疊機器人可以實現多種自由度（厘米級和毫米級）。

「微型化的研究還可以繼續深入，」機器人學家 Mustafa Boyvat 說，「我認為我們尚未達到機器人體積的下限。」「這種可摺疊式機器人令我們非常興奮，我們相信它在健康醫療領域將發揮重要作用」，Rus 說。

「軟體機器人是手術的終極目標。」從事手術機器人研究的香港中文大學教授 Samuel Au 在接受國內科技媒體採訪時曾說，甚至會轉變醫療機器人的範式。

近幾年，如何利用軟體機器人系統進行微創手術備受國內外專家學者關注。主流的機器人都是模仿人類肢體結構。雖然動作精確度高，但是柔軟性和適應環境的能力不高。像人體內部這樣不規則的空間，傳統機器人很難自如行動。傳統金屬機器人通過比較複雜的反饋的機制來完成手術操作，這有可能破壞人體的組織，比如腸道損失。

軟體機器人靈巧的結構使它們能夠更容易改變方向或擠進狹窄的空間。即使它們擊中了某個東西也不太可能將其打破，而它們的內部程序甚至會利用這些碰撞來獲得周圍環境的信息。

目前，Soft Robotics 正在商業化哈佛大學 2011 年研發的一款四條腿的小型橡皮機器人，在手術等生化領域推廣橡膠機器人。這款機器人靈感源自魷魚，海星和其它沒有堅硬骨骼的動物。體內內部被注入壓縮空氣，機器人因此可以自由活動和爬行。

「軟體機器人可以利用橡膠部位減少手術創傷的可能性。另外，藉助一些醫療設備，它可以進入很小的空間，改變自己的體形，適應人體器官的構造，這就是所謂的組織兼容性。」Soft Robotics CEO 說。

早在兩年前，英國倫敦大學國王學院就曾宣布與鄧迪大學合作研發出一款可協助醫生進行微創手術的軟體機器人。這款機器人形如章魚觸鬚，部件由硅氧樹脂材料製作，並配備了相關驅動裝置。軟體機器人具有很高的柔韌性，能輕鬆地從小創口進入人體，並繞過人體內脆弱的器官抵達患處。

據報道，這款機器人配備了攝像頭，能為醫生提供人體內清晰的畫面，幫助醫生更精確、高效地完成外科手術。機器人還能配備夾子、手術刀等外科手術工具，從而可直接為病人實施手術。

在今年的機器人頂會 ICRA 2017 上，來自 CMU 的研究論文介紹了一種用於上消化道的細針抽吸活檢的磁力驅動軟膠囊內窺鏡。

目前，開發軟體機器人的公司不多，且都處於研究階段。Samuel Au 說。主要挑戰在於既要將機器做到足夠小及足夠的柔韌。Rus 也認為，在擁有出色適應能力的另一面，軟體機器人存在著建模和控制的難題。

比如，從鼻孔進入人體，機器人直徑需要不到 10 毫米；但也要有足夠的彈性，保持其堅硬度，以進行有適當力度進行手術。「特別是在沒有任何外部支持卻需要保持某個身體形態時。使用骨骼加強軟體機器，就像脊椎動物，可以簡化這些難題。未來需要探索的是，如何以充分利用身體的方式，將身體柔軟性與對機器功能的不同期待匹配起來。還需要進一步提升計算和系統控制。」Rus 寫道。

據媒體 8 月 10 消息，開發軟體機器人用於治療喉嚨、肺部和腸胃疾病的 Auris Surgical Robotics（奧瑞斯外科機器人）D 輪融資 2.8 億美金。在此之前，為了進軍軟體機器人市場，該公司曾以 8000 萬美元收購了另一家擁有大量相關專利的外科手術機器人研發公司漢森醫療（ Hansen Medical ）。

軟體機器人技術的出現，也為臨床應用帶來新的可能。

心力衰竭是一種很常見的心臟疾病，全世界有 4100 萬人受心衰影響，他們或需要進行心臟移植，或需要用心室輔助裝置（ VADs ）將血液從心室泵送到主動脈。但到目前為止，使用 VADs 病人發生血栓和中風的風險仍然較高。

Conor J. Walsh 副教授研究團隊與波士頓兒童醫院心外科醫生 Frank A. Pigula 團隊，首次將軟體機器人技術用到了可植入醫療設備中。他們給心臟發明了一個「圍脖」，這個「圍脖」可以讓弱不禁風的心臟恢復正常的工作能力。

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這款軟體機械裝置，可在不與血液接觸的情況下幫助心臟跳動泵血。由於新裝置並不會直接接觸到血液，進而降低了血管阻塞的風險，未來使用該裝置的病人不必再服用具有潛在危害的血液稀釋類藥物。

「 該研究很好地證明了軟體機器人可以安全地與軟組織相互作用，有助於改善心臟功能。我們設想了很多未來的應用，比如這種設備可以在人體內外實現機械治療。」論文的資深作者、SEAS 的工程與應用科學 John L.Loeb 副教授、Wyss 研究所核心教員 Conor Walsh 說。

這是一條長僅 1.6 厘米（比 1 角硬幣還小），重約 10 克，幾乎完全透明的魚。魚的骨架是黃金，身體是硅膠列印的。2 天大的大鼠胚胎的心臟肌肉細胞經過光敏處理後，能對藍光做出反應，自行收縮，是魚的人造肌肉。當肌肉伸縮時，整個胸鰭就會如同真的鰩魚一般進行這種波浪般的運動。

研究人員也開始研究直接融入生物材料的機器人系統（軟體賽博格，Cyborg ），藉此進一步研究心臟細胞，為將來的全生物人造心臟做準備。

哈佛大學的 Wyss 仿生工程研究所項目的負責人 Sung-Jin Park 和 Kevin Kit Parker 教授的這篇成果發表在了《科學》上，曾引起轟動。

體外骨骼（可穿戴機器人）

我國有 600 萬多名腦血管病（中風）患者。在英國，每年都有約 11 萬人遭受中風。近期《柳葉刀》（lancet) 發表的一篇報告稱，在 20 至 64 歲的人群中，中風發病率增加了 25%。中國是全球中風風險因素佔比最高的國家之一。

典型的中風癥狀包括足下垂和軟弱無力沒精神。病人感到疲勞，動作笨拙，這讓他們更難以控制肢體動作。早在 2014 年，將軟體機器人和康復輔助具聯繫起來的先驅、哈佛大學 Wyss 實驗室的 Connor Walsh 教授就研發出柔性外骨骼 Soft Exosuit，可以有效改善足下垂。

與傳統金屬風格的外骨骼不同，Soft Exosuit 由編織成帶狀的紡織物組成，可以包裹佩戴者者的腰部和腿部，非常柔軟也具有韌性。機器內置微處理器、感測器和能源，腰部會置入馬達，提供力量和機動性。目前處在測試階段。

同一年，專門研發可穿戴感測器的 BioSensics 公司也與哈佛大學、MIT 等大學合作，共同開發出一套柔性外骨骼肌肉系統，主要作用於小腿肌肉的健康恢復訓練。

這種外骨骼肌肉可以很好的模擬人類的肌肉運動，從而幫助肌肉受損者進行記憶性的康復訓練。如果將這種外骨骼肌肉固定在人身上，甚至可以幫助癱瘓人士甚至截肢患者進行正常的走路、拿東西等。

最近兩年，柔性外骨骼得到了很大的發展。「我們更希望得到更多貼心的人機交互機器人，能夠佩戴機器人或者機械手是你的一部分」。機器人專家 Roy Kornbluh 說。

Roy 所在的 SRI Intenational 分拆出來的軟機器人創業公司 Superflex 推出了一款重量僅為 1.8 千克的柔軟外骨骼，可為普通人的日常運動提供力量。

SuperFlex 通過運動感測器、加速感測器和陀螺儀，探測穿著者四肢和身體的速度和角度，計算肌肉發力的方向，並補充力量。如果穿著者在搬運重物等的時候覺得力量不夠，也可以選擇自行開啟力量增強功能，讓機器服裝幫你分擔力量。這款柔軟外骨骼可以和大多數人的體型相適應，任何人都可以輕鬆穿著。

「我們想要把自己定位為服飾創新公司，而非機器人創新公司。」公司 CEO Mahoney 說。據媒體報道，SuperFlex 開始計劃產業化。目前，正在與一些診所合作，主要用於那些患肌肉弱化疾病的病人。接下來，他們希望將產品適用於老年用戶和物理治療的個人。價格 7000 僅美元。

「我們想要研發可以幫助老年人更長壽的技術。」CMU 的 Christopher G. Atkeson 教授說。「希望幫助他們降低生產風險，並聯合優秀的夥伴一起將這一產品引進中國。」投資 SuperFlex 的創新工場表示。

我國康復機器人市場規模和成長空間巨大。到 2030 年，中國 65 歲以上的人口的全國總人口比重將提高到 18.2%。廣發證券在其此前發布的研報中認為，人口老齡化將推動醫療及護理機器人快速產業化。預計國內未來 3-5 年內會出現成規模的醫療或護理機器人企業。去年 3 月，國家衛計委聯合 5 部門印發《關於新增部分醫療康復項目納入基本醫療保障支付範圍的通知》，在原已納入支付範圍的 9 項醫療康復項目基礎上，將「康復綜合評定」等 20 項新增康復項目納入醫保支付範圍。

由於產品的鋼架結構會限制患者腿部活動，造成不適，作為體外骨骼領域的開拓者，Ekso Bionics 也開始將目光轉向軟部件，希望採用仿生軟部件後大幅改善產品舒適度，降低高昂製造成本。

在歐盟 Horizon 2020 Research and Innovation Programme 的大框架指導下，一個跨領域國際研究團隊開始研發一款像褲子一樣可以穿的軟體仿生外骨骼 XoSoft。他們想要在 2019 年之前研發出功能完善的產品原型。穿上這個像牛仔褲一樣的下肢外骨骼，老年人和殘疾人們的自主活動能力能得到極大提高，健康狀況和生活質量也將得到一定程度的改善。

第三方諮詢機構 GrandViewResearch 預測顯示，未來 5 年廣義康復機器人的年複合增長率約為 37%，其中康復機器人年複合增長率為 21%，外骨骼機器人年複合增長率為 47%，遠高於其他類別的醫療機器人的平均增速。

其他應用領域

除了在食品、物流、醫療領域具備獨特優勢之外，在其他複雜空間，軟體機器人也可以大展拳腳。比如，地震、礦難等災害需要深入廢墟尋找和幫助受害人，核反應堆和宇宙空間站的檢修作業。

2016 年，哈佛大學工程與應用科學學院的兩位頂級學者 Robert J. Wood 和 Jennifer A. Lewis 研發出全世界第一個全軟體機器人：一隻體長只有幾十毫米的 Octobot。這款利用 3D 列印技術出來的外形酷似章魚的機器人，各個構件都沒有使用硬性材料，其材料成本不到 3 美元。通過化學反應產生的大量氣體聚集壓縮，藉助壓強變化，實現機械臂的運動。Octobot 可成為理想的救援機器人。

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倫敦大學國王學院的研究人員認為，可將用於醫療的軟體機器人應用到更多領域，比如水下管道檢修和救援。研究人員研發出一種軟體蛇形機器人，主要由硅膠管製成。據悉，這款機器人可被放進飛機發動機進行「體檢」和故障排查，為機場節省了拆裝發動機所需的時間，降低了人力成本。

早在 2012 年，美國麻省理工學院、哈佛大學和韓國首爾國立大學的研究人員就聯合開發了一種類似自然界蠕蟲的軟體機器人。這種軟體機器人有多種用途，例如通過崎嶇地形或鑽進稠密空間等。由於它在於行動時悄無聲息，基本不發出噪音，因此可用於偵測敵情。

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這些新材料的出現，為軟體機器人的應用提供了更多可能。

目前，一些研發部門正在試驗電活性聚合物 (electro-active polymers)，比如介電彈性體 (dielectric elastomer)，它會在電流通過時改變形狀。今年年初，MIT 等研究機構設計併合成出一種仿生蛋白凝膠。不同的環境 pH 值和離子濃度水平下，這種蛋白材料會伸展或收縮成不同的幾何形狀。而且這種變化是可逆的。研究人員表示，機器人可以用上能根據 pH 值和離子濃度自我改變硬度或產生功能性變形的新材料。

Rolf Pfeifer 和 Josh Bongard 在他們合著的 How the Body Shapes the Way We Think 中寫道：

「 從具身人工智慧觀來看，應該一併思考和發展機器人及其大腦，就像生物對象的身體和大腦一同演變一樣。軟機器人系統有可能利用形態學計算來適應世界，並與之相互作用，而這種方式在剛性系統中，很難實現，甚至是不可能的。遵循具身人工智慧的原則，軟機器人或許能讓我們以不可能的方式開發生物學啟發下的人工智慧。」

「（軟體機器人）不是傳統機器人技術的一部分，」瑞士蘇黎世聯邦技術學院仿生機器人學教授福米亞·利達說。「它們必須要以完全不同的思維來對待，用不同的材料製造，用不同的能源驅動。這是我們未來的必然之路。」

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