機器人太「硬」了？軟體機器人了解一下

雷鋒網註：王煜，香港科技大學機器人研究院院長、機械及航空航天工程學系教授。於2015年加入香港科技大學，之前曾在美國馬里蘭大學，香港中文大學和新加坡國立大學工程學院任教。目前擔任IEEE自動化科學與工程雜誌高級主編、IEEE機器人與自動化雜誌和ASME製造科學與工程學報副主編。

以下為王煜教授在2018世界機器人大會上的演講內容，雷鋒網編輯做了不改變原意的編輯整理：

剛體機器人成熟的理論體系及其存在的問題

美國十多年來一直都有研究和更新機器人的發展路線圖。其中也提到了很多問題，比較突出的有兩個問題：第一，機械手的靈巧性和操作性；第二，新型機械手或其它機器人如何能夠更接近人的操作性能和功能。這兩個問題在之前更新的路線圖中都有提到，並且也講了其發展方向。但是隨著時間的推移，我們可以看到，現在機械手及機器人的發展方向仍然不明確，最近幾年發展路線有很多，而且各不相同。

上圖顯示了如果要做靈巧的機械手，通過傳統剛體機器人的做法可以有怎樣的發展。剛體機器人在過去幾十年里一直被作為主要研究路線，這種機器人研究體系已經十分成熟，其中工業機器人的應用也得到了全面的發展和推廣。按照同樣的方式做與人體互動的機器人，或用到更特殊環境下的機器人，我們發現做出來的機器人並不完全適用。例如做輔助人走路或其他行動能力的機器人，可以發現這是一個很龐大的剛體機器人，顯然會存在很大的局限性。

從學術和應用的角度回顧過去機器人的發展，尤其是工業機器人得到了輝煌的發展，它所依賴的是系統性的技術，主要是剛體機器人整個技術體系。通過機械原理構建一個機器，這個機器能夠運動，再從剛體理論中把剛體去掉，換成真正的結構性材料，再把動力和驅動裝置放進去（基本上都是電機驅動），最終形成由感測到控制的完整系統，也就是機器人。

從運動學的角度來看，1876年德國工程師勒洛就把機械原理（即剛體運動學）徹底理順，然後寫進《機械運動學》一書中。從蒸汽機發明以後，機器人的發展和機器的發展都依賴於剛體運動學的基礎，然後把驅動、感測和控制完全建立起來，最終形成一個系統，使得今天有各式各樣的自動化機器，包括汽車、火車，以及工業機器人，建立系統地做機器研究或機器生產的理論，這套理論已經非常成熟了。

軟體材料及軟體機器人的需求

如果想讓機器人做更多的事情，尤其是和環境或人類進行互動，我們就會發現一個嚴峻的問題——剛體機器人在馬達的驅動下慣性非常大，接觸到外界就會發生強烈的衝擊，可能會造成不安全，剛體和軟體的環境互動也並不容易控制。因而，很難用傳統的剛體機器人做出新一類超出工業機器人需求的機器人。

我們希望機器人能夠和環境、人直接交互，也希望這類機器人能夠有感測和直接通信能力，這種機器人會為人類帶來很大的幫助，包括康復、協助老人。但是剛體交互性並不好，而且馬達驅動工作時，控制好馬達以得到柔性的驅動及互動很難，因為馬達的功率一般都很大，現在不能做到那麼低功率的柔性控制。

我們需要思考能否找到其它方式，自然會想到人體。人體雖然有骨骼結構，但其外側有肌肉和皮膚（軟體）作為與外界交互最主要的界面，而不是骨頭直接與外界交互。我們想到改變剛體機器人框架，換成其他材料做的新機器人，也就是用軟體材料。相較於剛體材料而言，軟體材料互動性好很多，如果用軟體材料做出新的機器人，可能會開拓出新的應用領域。

軟體機器人的嘗試工作

從人體角度來看，我們肌肉的彈性係數基本上和橡膠硅差不多，如果用橡膠硅來做軟體機器人，從彈性的角度來看應該和人體差不多，於是我們開始嘗試用軟塑料一類的材料來做機器人，軟體機器人就此開始變成一種新的想法。實際上這項工作還是相對比較新的，直到2012年左右，美國有幾位教授用氣槍為塑膠通氣，能夠做出爬、跳等動作的軟體機器人，可以做到我們所要的軟體機器人性能。有了這些前沿性、探索性的工作後，大家開始清楚看到軟體機器人的市場前景，例如可以用來做醫療機器人、機穿戴機器人和器人玩具。

當然，我們還需要其它技術，比如感測技術和驅動技術，需要柔性的感測器，也需要柔性的驅動器。柔性感測器的材料已經有人做過一些研究，但做柔性驅動器就很難了。現在市場上大家有很多的猜想，比如飛機的機翼不是現在的固定機翼，而是柔性的、可變形的機翼，如果做得好的話，相對空氣動力學性能會更好，所以也會有更多其它的用處。隨著3D列印技術的興起，有可能出現更複雜的軟體機器人材料。

軟體機器人發展的關鍵問題

軟體機器人的發展需要仔細考慮以下幾個問題：

1）從學術角度來看，既然做軟體機器人就需要軟體材料，也會給你柔性互動的本體，裡面可能有剛體，也有可能有像人一樣的骨骼，剛體之間也有可能產生運動，我們在其中加入鉸鏈機制；

2）軟體當中可以加入一些分布性的驅動器和感測器，因為有分布性的軟體，如果有分布性的驅動器和感測器，柔性機器人的性能就會變得更好；

3）只有剛體骨架作為感測，外面的肉體是被動的皮膚和肌肉，互動性會低一點。

總體來講，從學術角度來看，我們要把軟體機器人看作和人一樣的結構。其中會有很多問題，比如怎樣做這些東西，最終還要看它能夠給你的功能和性能。我們需要知道它的運動是手、是腳，還是車子，要看最終結構做成什麼樣。如果是一個手，我們就需要設計手指，讓手指抓取物體；如果是一個驅動，就要做成腳。軟體的部分需要包含在機器人的設計、感測和控制整體的框架當中，現在基本上沒有很好的運動學理論，實際應用中仍然是把剛體運動學搬到柔性體當中。

個人覺得我們需要從最基礎的角度來看軟體機器人，主要有三大問題：

1）如何定義柔性系統（軟體機器人系統）。機器人畢竟是要做運動的，剛體運動學通過機械原理可以解決，軟體相關運動理論現在還沒有。

2）如何設計/控制柔性系統。我們不可能用鉸鏈和感測，如何從軟體機器人當中產生運動，以及更複雜的怎麼控制運動。控制便成了非常麻煩的事情，因為有無窮多的自由度，要看怎麼驅動軟體機器人系統，最終怎麼做到很好的控制。

3）柔性系統製造的材料問題。今天我們遇到最主要的問題就是軟體機器人的材料的問題，材料給了我們很大的局限性，我們沒有很好的軟體材料真正來做最終想要做的軟體結構。

軟體機器人系統

上圖是軟體機器人系統，如果上面有軟體機器人的結構，需要有設計方法，然後要有模型，產生動態方程，最終可能有局限性的感測，不是每個自由度都有感測，然後用感測系統來做控制，從而產生控制系統。其中最難的是要看什麼設計、什麼架構能夠產生人類需要的軟體機器人，軟體機器人需要完成什麼任務，怎麼去實現這些任務，因而需要做運動規劃或任務規劃，然後再加上具體的動態系統，產生合適的控制，最終才能設計出實用的軟體機器人。

理論上來講，需要解決的就是這些大框架問題，但認真做起來就不是那麼容易了。不過已經有人在虛擬空間中解決了這些問題。做計算機圖形的工程師已經想到了這些問題，並做出了一個虛擬的軟體機器人，它的性能完全是你需要的。其中，上面是一塊很軟的材料，下面有四條腿，如果有理想驅動器就能實現跳動。

這個軟體機器人在虛擬環境當中完全能夠實現平衡和跳動，以及做各種其它動作。從模擬角度來講，理想系統中的軟體機器人已經實現了。但是模型是理想的模型，材料可能是線性的或非線性的，驅動能夠產生力，控制系統當中的控制方程和控制方法都解決了，加上仿生設計和運動規劃、任務規劃都是用傳統的機器人設計方法解決的，這種理想的、模擬的圖形學軟體機器人並沒有變成現實。變成現實仍需要找到材料、驅動器和感測器，都要和模型完全匹配，這在現在來說仍然無法實現。

軟體機器人的市場潛力

雖然軟體機器人在醫療、國防和急救領域有需求，但是真正最大的市場還是玩具，而且對行業最感興趣的還是迪士尼，迪士尼投入了很多資金，但仍然很難實現。要找到一個合適的非線性模型，能夠把這些軟體材料描述得很確切很難；如果非線性更強的話，做控制和其它設計也很難。

現在大家非常期待的是通過3D列印來尋找適用於軟體機器人的材料。3D列印的迅速發展給我們帶來了一些機遇，我們可以把不同性能的材料混合起來使用，最終通過3D列印得到比較複雜的柔性系統（例如機械手指和機械腿）。我們做的3D列印的手指可以用來抓蘋果、抓雞蛋、抓豆腐，但真正用起來就會有嚴重的問題。現在這種利用3D列印實現的柔性手指還是很柔軟，抓起物體快速移動時，發現手指會抖動，也就是沒有剛性。又要柔又要剛，所以就有性能變剛度，這種性能在柔性機構或者機器人中還是非常有限的，這也是一個比較嚴峻的問題。

軟體材料的需求

平常機器人用的基本都是馬達、氣動或液壓，因為這是傳統大功率機器的驅動動力，要是應用到軟體機器人的話，我們自然希望用軟體的材料作為驅動器。最關鍵的軟體材料就是壓電塑性材料，這類材料有點像硅膠，通電後會擴展和延伸，例如，最簡單的驅動器就是做一個氣球，氣球加了氣壓後會膨脹，膨脹會帶來動能，也就被認為可以作為驅動器。

原來的想法就是把這些驅動器做得很好，然後分布性地放到軟體機器人結構中，每個驅動器都可以獨立控制，這樣就有分布性控制來做驅動，性能也會好得多，但是做起來並不容易。最近的做法是做成一個隊列，驅動的時候會產生一些波，最終可能會帶來各種效果，我們做的就是類似踢足球的東西。通過這種驅動器做到最好的效果也不過如此了，至多是驅動一條很小的魚尾巴，抖動大概有4-5赫茲，頻率也不會太高，力也不會太大，無非就是變形比較大。

現在行業當中對軟體機器人來講，驅動材料是很大的瓶頸，氣體驅動、液體驅動和壓電驅動效果都不是很好，怎麼才能有很好的驅動器才能幫助軟體機器人的發展，這也是個很嚴峻的問題。

軟體機器人發展三大關鍵問題

說到最後，現在來看仍然沒有一個路線圖能夠把軟體機器人怎麼發展理順，實際上存在三大問題：機械運動原理、剛性結構、驅動和反饋。最終要有理論幫助設計，還要有理論幫助來做任務規劃和路徑規劃。因為材料的局限性太嚴重，驅動的可行性太小，設計的方法基本上沒有，所以現在大家能夠做的就是做案例分享，想到好的辦法就做好拿出來給大家看，把可行性向前推進一步。軟體機器人要越來越多，小問題都有多多少少的進展，慢慢地這些成功的案例和經驗能夠融合在一起，使得軟體機器人在理論上有所發展。更重要的是要有適合做軟體機器人的材料，才有可能給我們提供更好的空間，更適合軟體機器人發展。

今天有很多做塑性材料的公司，但對軟體材料基本不理解，認為我們沒有市場，因為我們需要幾公斤就夠了，他們需要看到的是幾百萬噸需要的材料，沒有那麼大的規模，這些做塑性材料的公司不會在短期內幫我們的忙。個人認為前景應該是很好的，但道路還是比較漫長的。

採訪精選：材料仍是困難，市場看好醫療和玩具

雷鋒網編輯在大會上採訪了王煜教授，就軟體機器人的發展困境和市場應用，王煜教授給出了自己的見解。

軟體機器人現在發展到哪一個階段？

每一個技術的發展都有一定的背景。第一它要有需求，第二個要有相應的技術可行性。為什麼30年以前不提軟體機器人呢？那時也會想到同樣的需求，但是那時主要的想法還是把鋼體機器人能夠做的稍微柔一點，所以有一種機器人叫柔性機器人，柔性機器人是鋼體機器人的一個轉變，但是用的材料還是鋼體材料，無非是和鋼體機器人相比相對薄一點、軟一點，有一定的柔性性能。

同時，軟體機器人還面臨一個大問題，即機器人設計的問題。用軟材料來做機器人時，傳統用金屬製造機器人的那一套經典成熟的方法就無法適用。我們現在的機器人實際上按照傳統的機械設計發展而來，鋼鐵、鉸鏈、馬達驅動，學機械設計的人都會在大學裡學到這一套理論，80年代這些理論就已經被德國掌握了，現在的學生也都在學這個。從機械原理到結構設計到驅動、控制、感測，這一套理論都已經非常成熟了，所以現在的鋼體機器人做的非常好。我以後也會做軟體機器人相關研究，現有的這套傳統機械理論無法適用於軟體機器人，你需要尋求一個新的方法，從基礎理論上來講，現在還沒有突破，我們很多人也在研究，但這需要時間。最終要形成一套體系，要從原理、設計、結構、驅動、控制、感測，做成一個完整的體系。這個體系經濟、可行、適用，然後推廣出去。現在行業內都在做探索，你會發現軟體機器人這個領域百花齊放，每一個人都有一個想法，每一個人都有不同的的嘗試，但都還沒有形成一個完整的體系。

請您介紹一下當下機器人材料的發展情況？

從材料的發展來看，我們最開始沒有把材料作為一個很重要的需求，所以並沒有做這方面的研究。但現在有需求了，做材料的人就會把它做好，但是需要時間。從鐵到銅、鋼、鈦合金、鋁，到現在各式各樣的複合材料的發展來看，材料研究是很漫長的過程，所以做材料需要時間，但一定會慢慢做好。

最近這幾年大家看到軟體材料，特別是從生物體這個角度考慮，也就是仿生的角度來看機器人的發展，機器人製造要用一些非金屬材料，一些具有軟性的人工合成材料，就會聯想到塑料、橡膠（包括自然橡膠和人工橡膠）等材料。最近幾年的發展和突破在於出現了一些新的合成材料，這些新材料可以安裝驅動，之後就可以通電了。換句話說，如果這個新材料具有軟體特徵，又可以通電的話，那麼如果我們改變原有的傳統機械設計方法，利用新的軟體材料進行全新設計，是否可以製造出軟體機器人呢？

所以在新材料與新技術的驅使下，我們開始嘗試，並且結果也讓人興奮。2012年左右，有幾位化學教授把一些軟膠材料拿來進行嘗試，製作了一些能夠表現機器人性能的簡單的軟體機器人，行業和學術界非常看好，因此之後投入了更多的精力與資金研發軟體機器人。軟體機器人能有如今的發展，靠的就是先前的創始者和開拓者為我們指路，我們才有如今的突破與發展。

軟體機器人的市場應用前景如何？

從軟體機器人應用的角度來看，最好的應用點是醫療和康復，例如軟體手或軟體臂。我們希望能夠造出一種用於康復訓練的機器人幫助需要做康復訓練的患者，在康復過程中，機器人可以與人的手臂和腿進行互動，從而實現幫助患者進行康復訓練。

當下具有互動功能的機器人需求特別迫切，而軟體機器人從它的功性上來講非常合適。在業界應用中大家最先想到，也是最先希望做的就是康復機器人。

第二個我們希望軟性機器人的手指可以做到如同人類的手指一樣靈活。因為運用鋼體結構加上鉸鏈、馬達驅動做機器手已經做了40年了，但是突破還是不大。所以我們就想能不能用軟體機器人來做機器手。這方面現在有一些進展，但不是很大，主要還是由於材料和驅動的局限性。

但是從市場的角度來看，最大的、最具有前景的市場其實是玩具。雖然我們現在看到的軟體玩具很少，但是你可以想像把動畫片里的動畫人物，不僅僅是在屏幕上呈現出來，還可以通過軟體機器人的形式做成實際的人物形象放在家裡與孩子互動，這個市場是無窮大的。就行業對軟體機器人的投資上來講，美國迪士尼實際上投資是最大的。雖然迪士尼很低調，但是這仍然可以顯示出軟體機器人在玩具市場中應用的前景。但軟體機器人玩具的生產難度會更大，因為不能裝馬達，不能走電線。像迪士尼的投資已經有所回報了，所以現在的投資力度就沒有最開始那麼大，因為大家意識到材料和技術方面的局限性。

國防、消防、急救這些方面，市場規模本身來講不大，但它的需求也是非常迫切的，因為關係到民生安全的問題。所以現在也有一些科研單位也開始著手研究，一些政府也在支持。但真正最後能夠推廣到商業領域的，我認為還是醫療康復和教育玩具。

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