隨著柔性機器人的迅速發展，人們越來越意識到，冰冷、僵硬只是我們對機器人的刻板印象。近年來，有不少研究團隊受貓狗、蛇、章魚等動物的啟發，設計出多種形態的柔性機器人。這一次，哈工大研究團隊受到了象鼻的啟發，設計了新型的柔性機器人。
近日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉）。
哈爾濱工業大學是我國最早開展機器人技術研究的高校之一，也是我國第一臺電焊機器人、弧焊機器人、爬壁機器人、空間機器人、月球車的誕生地，在機器人技術研究方面處於領先地位。
據報道，此次哈工大冷勁松教授研究團隊受到了象鼻的啟發，在研究上又有了新發現，設計了新型的柔性機器人——新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉。
人造肌肉
在該研究中，「氣動人工肌肉」是一個核心元素。
據瞭解，氣動人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據生物學原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構成，可在外加電場下通過內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。
而氣動人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅動進行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優勢。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來形容它再合適不過了。
實際上，由於具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結構、與骨骼肌相似的特性，氣動人工肌肉在軟體仿生機器人、變剛度靜水骨骼等領域都得到了廣泛的應用。此外，這類材料在醫學、機器人、軍事、航天、光學等領域都發揮著重要作用，具有巨大的商業潛力。
早在 20 世紀 40 年代，科研人員就開始對這一領域進行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團隊還在 Science 發表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹係數不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當期 Science 封面。
“仿象鼻”柔性機器人
近年來，曾有不少研究團隊受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚、兔子等等的啟發，設計出多種形態的柔性機器人。而此次哈工大研究團隊受到象鼻的啟發，設計了新型的柔性機器人。
研究團隊指出，氣動人工肌肉運動在一定程度上僅侷限於單軸收縮和拉伸，這也限制了其發展。
為此，該團隊在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎上設計了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。
根據論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成（如下圖）。
當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產生繞軸的彎曲、旋轉運動，使致動器產生螺旋變形，類似我們曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉的運動過程。
而區分伸展還是收縮，主要取決於「編織角度」——編織角度 > 54.74 度時為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時為 HC-PAMs（下圖 ii）。
在此基礎之上，研究團隊通過一個仿象鼻的高自由度柔性臂來探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機器人領域的潛在應用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負載能力很強，而 HE-PAMs 可產生更多的變形。
值得一提的是，這一研究提出了統一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團隊通過實驗、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，並在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性。
據瞭解，軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉可以廣泛地應用於各個方向，比如軟體分類機器人、搜索機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設備等等。
提升人機互動性的柔性機器人
實際上，人造肌肉材料已成為當今研究的前沿和熱門，這與人們對柔性機器人領域越來越多的關注密不可分。
捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說中，根據 Robota（捷克文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波蘭文“工人”），創造出“機器人”一詞。100 年後，機器人不再只是僵硬、冰冷的機器，柔性機器人正進入我們的視野，工業柔性機器人和生物柔性機器人是其主要的 2 個分支。
柔性機器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優良的環境適應性、超強的安全性，以及良好的人機互動性。正如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王煜在 2018 年世界機器人大會上所說：
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。
不過，想要完美地同時兼具上述幾種特性，還有很多技術上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個突破口，比如中國科學院理化技術研究所研究員、清華大學教授劉靜團隊考慮了室溫液態金屬在柔性機器人領域的應用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅動的方式驅動機器人運動。
應用前景
當前，全球機器人市場規模持續擴大，機器人產業正穩步增長。據相關報告，2019年全球機器人市場規模達到294.1億美元，2014～2019年全球機器人市場的平均增長率約為12.3%。業內人士預測，中國將成為全球最大的機器人應用市場，預計在2030年產業規模將達到260億美元，佔到全球1/3。也就是說，預計在2030年全球機器人產業規模將達到780億美元。
在巨大的市場前景下，不少企業、高校等研發團隊研發相關產品。而柔性機器人具備材料的柔軟性、優良的環境適應性、超強的安全性，能夠破除傳統機器人關節的僵硬和材料的剛強，有著更為良好的人機互動性，或將成為未來商業運用的主流趨勢之一。極智嘉聯合創始人兼CTO李洪波曾表示，柔性機器人系統蘊含著巨大市場潛力，將會在智慧物流、智能製造、以及大家所能想象到的商業環境裡，得到廣泛的應用。
目前，柔性機器人主要的商用場景為工業和醫療。其中，醫療領域是柔性機器人典型性和商業度較高的應用領域，潛力空間估值接近75億美元。
在醫療機器人的柔性化運用中，手術機器人的臨床性和產業化程度是當前發展最快的。柔性化的醫療機器人能夠進入人體四處移動，提供照明，成為醫生的眼睛，甚至可以繞過想要避開的區域。而著名的達芬奇手術機器人，代表了柔性機器人在該領域的一定水平，其可自由運動的手臂腕部、3D高清影像技術、主控臺的人機交互設計這三個關鍵核心技術，分別對應了柔性機器的機器感知、機器行動和人機交互，可協助醫生在有限的狹窄空間工作，手術操作更精確。
對於工業領域的柔性機器人應用來說，隨著研發水平不斷提升、工藝設計不斷創新以及新材料相繼投入使用，工業機器人的類人精細化操作能力不斷增強。如日本愛普生首款新型摺疊手臂六軸機器人，可在現有同級別機械臂60%的工位空間內完成靈活操作，採用內部走線設計，自然進入高層設備、機器、架子等狹窄空間，避免了在設置和維護過程中進行復雜的佈線，大大提高了成本效率並保持較低的總運行成本。
隨著機器人逐步應用到各種實際應用場景，機器人產業輕型化、柔性化、智能化的趨勢日益明顯。此次哈工大以象鼻為啟發而建立的氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，拓展了柔性機器人更多的可能性。由此可見，未來機器人將越來越靈巧、安全，且形式更多樣化，應用範疇也更廣。
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