歡迎關注工業機器人之家

>>>>機器人的驅動機構

對於電力驅動的機器人的驅動機構來說，大體可以分為兩種：一種是純機械驅動，一種是智能材料驅動。

純機械驅動就是依靠數字舵機和步進電機等，這些直接依靠機械結構的配合與運轉來驅動機器人身體部位運動的驅動系統來運作。其中，數字舵機和步進電機都是電機的一種，也俗稱馬達。它們的主要作用都是產生驅動轉矩，作為電器或各種機械的動力源。

智能材料驅動就是依靠SMA (shape memory alloy)——形狀記憶合金、EMA (electromagnetic actuation)——電磁驅動、IPMC (ionic polymer metal composite)——離子聚合物金屬複合材料這些智能材料通電或者溫度變化產生的形變產生驅動力而進行運動。

雖然表面上，智能材料驅動似乎可以通過對其深入挖掘和大規模的使用而減小機器人體積，改造其冰冷的外形。然而，智能材料的形變數相對於機械驅動來講卻十分有限，精度也不夠。不過近些年，科學家們除了將人工智慧與機器相結合讓機器人有一個聰明的大腦之外，在軟體機器人上依然有不小的突破，爭取讓機器人早日擺脫僵硬的外殼限制。

>>>>軟體機器人

軟體機器人是一種柔性機器人，它的模型大多來自於自然界的軟體生物。軟體機器人的材料主要是柔性的材料，而不是傳統的剛性連接器和外殼。

驅動方式

軟體機器人並不需要用傳統的馬達等動力裝置驅動，目前研究機構主要有兩個方向：第一個方法是模仿人或者動物的肌肉來做動作（後面有介紹），第二種就是利用環境的變化來獲取動力，如溫度、空氣以及光照等方式。

軟體機器人相比剛性機器人有很多優勢，它可以更好適應各種環境，受到外界衝擊後也不會產生大的傷害，在空間狹小、非結構下的環境下都可以完成複雜的任務，例如醫療、軍事及探測領域。另外，其材料可以用3D列印等方式來生產，成本也比剛性機器人要低得多。還有業內人士認為，軟體機器人比剛性機器人擁有更強的計算能力，其重要性不亞於液態金屬機器人。

形態控制

因為軟體機器人的結構和材料是非線性的，且擁有多自由度，這導致了機器人的動作任務比剛性機器人更加複雜，這對演算法的要求非常高。目前，形態計算是一個研究方向，它能實現多樣的物理模型。可以這麼理解，形態計算就是機器人的身體可以實現計算任務，不需要外部演算法。

可以預見的是，隨著機器人技術難點逐漸被攻克，這些軟體機器人將會應用到越來越多的領域裡。

>>>>不同形狀的軟體機器人

3D列印肌肉

哥倫比亞大學的工程師開發了一種肌肉，能夠舉起千倍於自身的重物，可用於製造人形機器人。這是一種3D列印的合成肌肉，這種人造肌肉可以推、拉、彎曲、扭轉，是有可能徹底改變現在工程學所用的軟體機器人設計方案。

GIF

團隊領導Hod Lipson教授表示，與僵硬的機器人不同，軟體機器人可以模仿人類的自然動作，像抓取、操縱等，為人類提供醫療或其它類型的幫助。甚至還能執行一些精細的任務，或者撿起柔軟物體。Lipson教授說，他們已經克服了製造栩栩如生的機器人的最後一個障礙，也就是靈活性極強的肌肉。

在嘗試的過程中，為了讓低密度材料適應制動器高壓力和高應力要求，該研究報告的第一作者Aslan Miriyev使用了一種硅橡膠基質，它的微泡中分布著乙醇。這個解決方案結合了其他材料的彈性特性和極限體積變化特性，同時也易於製造、成本低，並且還環保。通過3d列印，打造成想要的形狀之後，這種人造肌肉使用一根細電線和8伏低壓電，進行了電刺激。它在一系列的機器人應用中進行了測試，在這些應用中，這種合成肌肉展示出很強的擴張收縮能力。當通電加熱到80攝氏度（176華氏度）時，它可以膨脹到原來的900%。

如下圖所示，13g（0.45盎司）人造肌肉提升1公斤（2.2磅）的重量。

有了這麼好的彈性之後，通過計算機控制，自動控制單元就能在幾乎任何設計中，執行動作任務。

新型機器人使用智能材料的研究內容即：研發新的複合材料或集成能實現感測、驅動、計算和通信功能為一體的複合材料，這些複合材料可以獨立於中央處理單元進行自主操作。這個領域的研究人員從大自然中獲得靈感，並將其用於智能材料研究。

目前只有兩種方法製造這種複雜的新型複合材料：一種是通過相關技術合成新的複合智能材料；另一種是將不同材料成分進行系統整合，形成新的智能複合材料。使用生物相容的導體或可生物降解的彈性體來製備機器人用智能材料，對於該類智能材料的發展具有非常重要的意義。

圖片所示的通過3D疊層列印技術製造出來的形似章魚的柔性機器人原型，集成系統使它能夠自由靈活地移動。

章魚是柔性機器人最為理想的模仿對象，因為章魚的肌肉是理想的驅動器，它的肌肉組織是一個精巧的轉換器，能將能量直接轉化為機械運動並且能夠自組裝和自我修復。章魚軟體機器人用液體對兩個互相接觸的微通道充氣閥門進行加壓和控制，按照膨脹的順序，第一個通道的膨脹導致第二個通道壓縮關閉，兩次加壓之間的延遲導致章魚機器人手臂做出抬起放下的動作。這種柔性機器人的問世為未來機器人變得更加強大靈活帶來了新希望。

這些新材料的出現，為軟體機器人的應用提供了更多可能。

>>>>章魚機器人

迄今為止的大多數機器人都在工廠中工作，但是，如果讓機器人去探索海底或火星表面，就必須讓它們有一個靈活的身體，能夠根據不同的環境作出調整。所以，軟體機器人可能成為未來新趨勢。為了實現目標，章魚再次成為專家學者們的研究對象。

除了上面提到的原因，章魚還沒有內外骨骼，所以它的八隻爪子能夠伸向四面八方，緊緊纏繞物體，並且能自由伸長或縮短、變軟或變硬。所以章魚是合格的，能根據不同環境作出調整的生物之一。

GIF

義大利聖安娜高等學校機器人實驗室和Octopus Integrating Project共同探索了打造章魚肌肉的方法。包括：

使用電子動力聚合物（EAP）打造人造肌肉，這種物質一層軟性材料，上下各有一個電極。當接上電流，EAP就變成了電容器，兩個電極便收緊，將中間的軟性材料擠到兩邊。

使用液體制動器，它能自由地設計形狀，靈活地安排電隔室，讓機器人手臂自由彎曲。

使用顆粒材料而不是液體來製造機器人手臂，也可以實現機器人的自由收縮和伸展。

GIF

使用形狀記憶合金 （SMA）打造人造肌肉。當溫度升高時，SMA可以變成特定的形狀並「記住」這種形狀。實驗人員通過電流產生的熱量來加熱SMA，讓它變成真正章魚的形狀。同時，它能「記住」各種不同的形狀，這樣就能實現彎曲、變短、身長、抓取物體等動作。

最終，他們模模擬實海洋動物的活動方式來打造章魚機器人，用電纜取代SMA，用硅樹脂來打造章魚爪，每一隻爪子中包含一支鋼製電纜，它能自動拉長或是縮短，爪子的每一個簡單動作都能提供能量。

GIF

Rolf Pfeifer和Josh Bongard在合著的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，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。

來源：工業機器人之家整理，轉載請註明出處

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！