软体机器人有什么实用价值

为什么要把机器人做成软体的呢？虽然对我们工程师来说，“这么做很酷”这个理由就足够了，但让我们把软体机器人放在更大的背景下探讨。对于软体机器人这样的新兴领域，其研究的必要性通常是由实用功能所决定的。

软体机器人技术为我们提供了一个以全新方式思考问题的重要机会。我们可以设计出适合我们的、生产成本低且易于定制的机器，甚至可以根据任何人的需要进行调整，同时能保证使用安全。不仅如此，软体机器人还包括无须复杂编程就能抓取任何物体的机器人手爪，能行走于任何复杂地形的探测机器人，以及人造器官、大脑假体等。

与传统机器人相比，软体机器人的制造成本也很低。因此，可以利用软体机器人技术制造出非常复杂的实用机器，价格却能便宜到任何人都可以拥有。手机在21世纪头十年所经历的飞跃可能在短短几年内就会在机器人领域重现。

处理不规则或易碎的物品

假如你想把物品打包装箱，箱子里装的是大小、重量和易碎程度均不相同的物品。这个经典的软体机器人问题通常可以称为“蓝围裙”问题，这个名字来源于美国很火的上门送菜服务电商“蓝围裙”。送上门的包装食物一般软的、硬的、轻的、重的都有，还有易碎的食物。更复杂的是，即使你的目标是抓取一个西红柿，每个西红柿的大小和形状也不一定相同。在装箱时，物品掉落、损坏或被挤压的风险很高。损坏的物品会对整体的质量产生负面影响。用传统机器人调整商品的变化范围需要经过大量的感知和计算，才能正确处理各种各样的物品。

现在我们介绍软体机器人夹持器的概念。软体夹持器固有的柔软性为适应不同大小、形状和重量的物体提供了灵活性。使用软体夹持器也更不容易损坏被抓取的物品（见图1-2）。人们使用软体机器人进行灵巧操作时有几种不同的模式。最常见的软体夹持器使用正气压弯管机或真空驱动式堵塞夹持器，但选择液压和线驱动控制系统也是可行的。无论采用何种驱动方式，共同的思路都是利用材料的柔顺性来解决问题。

图1-2　红隼夹爪（本书后文将会提到）是一个简单的软体机器人执行器的例子，可以抓住各种各样的物品

看护与人机协作

如果你熟悉工业革命带来的成长阵痛，你就会知道，要让一台机器对周围的人来说是安全的，需要投入大量的工程设计和研发工作才可能实现。这就是为什么现代化的工厂看起来像机器人动物园，所有危险的机器人都被锁在笼子里，以防止它们伤害脆弱的人类。有时，制造工程师甚至会让机器人和人处于不同的建筑物里，以确保机器人能在不危及任何人的情况下高效工作。但实际情况可能并不是如此简单。

如今，工业机器人与人类隔绝，因为它们非常强壮，而且对人类身体的脆弱并不敏感：它们可能轻易地让人致死或致残。未来，我们希望机器人能更无缝地与人类交互。在很多机器人设计中采用的柔软性设计方案有助于人和机器人共享物理空间，并允许两者间安全地交互。就像《超能陆战队》中的看护机器人大白一样，软体机器人的存在极大地扩展了机器人完成看护任务的机会。软体机器人身体结构上使用的柔性材料既可以减轻其自重，又可以降低其对人体的冲击力，从而使它们有可能被用于照顾孩子、老人以及为我们服务。软体机器人技术还为机器人使用人类工具在人类环境中工作提供了可能（见图1-3）。

图1-3　工厂中包装物品的机器人

图片来源：“Automatic Packaging by Robots”，由Wiki-media Commons网站Tecnowey提供，在CC BY-SA 3.0授权许可协议下发布

此外，一旦软体机器人能和人类在同一个空间中共融相生，就创造了人机协作的机会。在人工智能软件游戏挑战赛中，AlphaGo机器人能够击败围棋大师，但最终一个人工智能和人类合作的团队一定能击败任何单个人工智能对手或单个人类对手。这一法则也适用于我们与实体机器人的合作中。在人与机器人的交互任务中，这种合作产生的效能比任何一方单独完成任务的效能都更好。

目前，实体协作机器人已经在工厂里开始安全地配合人们工作了。2017年协作机器人的销售额已经超过1亿美元，预计还将呈指数增长。大多数这样的协作机器人都利用传感器和视觉技术的进步以及计算能力的发展来提高它们的处理能力。其中一些协作机器人，如Rethink Robotics公司的Baxter机器人，也通过柔性的机构设计来提高它的安全性。Baxter机器人的手臂利用一系列弹性部件，使用电机和减速器控制弹簧来驱动关节。这些弹簧可以让手臂在受到挤压或碰撞时安全地“伸缩”。此外，弹簧同时也可以扮演力觉传感器的角色。

可穿戴或者与人融为一体

软体机制解决了人体与物质世界交互的关键问题。有了软体机器人技术，你就能设计出易与人体集成的机械装置。

将机器人部件集成到人的身体上一直是科幻小说中的常见情景，特别是机器人型强化超级战士。在现实中，类似的军事投入包括美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在2001年推出的两个刚性外骨骼项目。2013年美国特种作战司令部（United States Special Operations Command，USSOC）发布的战术突击轻型作战服（Tactical Assault Light Operator Suit，TALOS）也一度引起了轰动。在战场上让士兵变得超级强壮，并能在负重的情况下行走数英里而不感到疲惫，这种愿望是完全合理的。同样，机器人如果能够在工厂里搬运沉重的箱子，或者取代快递员以避免连续负重造成的身体伤害，那么将会对改善民用工作场所做出巨大的贡献。

由于各种因素的影响，软体机器人在对人类能力的增强方面比传统机器人更有价值。从重量、质量和强度的计算中可以知道，柔软性确实为人体与机器的集成带来了好处。想象一下，如果一套经典的硬盔甲可穿戴机器人绑在人的身上（一定非常沉！），移动机器人所消耗的能量将会非常巨大。你既要让机器设备可穿戴且不受束缚，又想让所有刚性部件的耗能尽量小，这种可能性是很低的。但如果你把一些部件改成柔性的材料，那么这些部件在变软的同时也会变得更轻。如果可穿戴的软体机器人的电机驱动能适配人类身体关节的活动范围，它就能对穿戴者进行助力配合，而不是将穿戴者和软体机器人简单地捆绑在一起。软体机器人也可瞬时变为一种理想的盔甲，当它探测到即将有物体坠落时，就会立刻变形成头盔保护人类。

从改善人体机能的另一个角度，可穿戴辅助机器人可以解决人类缺乏力量或灵活性的问题。对于暂时性伤残患者，它也可以帮助他们进行辅助物理治疗。一般情况下，暂时性伤残患者需要专业理疗师来指导康复治疗时要做哪些训练动作。对于这些需要长时间、多次重复的康复训练，利用可穿戴软体机器人设备进行自动化辅助康复训练能显著降低医疗成本并改善治疗效果。目前，一些传统的医用外骨骼机器人和主动矫形器（背带）通常体积庞大且价格昂贵。其中部分原因是它们需要大量的部件与人体协同运动，因此需要进行大量的定制工作，才能使由刚性部件组成的设备适合人体的变化。最后，刚性机器人要精确地模仿出人类做日常动作所需的驱动力，这是非常复杂和困难的，比如，从椅子上站起来或者利用关节支点将球扔出。

软体机器人能够完美地适应各种形状和大小的人体形态。但是，将刚性机器人作为可穿戴设备直接穿戴到人体上会产生很多问题（擦伤、瘀伤、压伤），所以将不恰当的可穿戴设备（刚性机器人）穿在身上会增加使用者被伤害的风险。即使我们考虑把刚性机器人的初始状态与人体进行完美地配合，但人的身体会时刻发生变化，而刚性机器人可能还是无法适应这些变化。例如，所有使用外骨骼机器人的穿戴者的身体都会发生变化。士兵因为战场或训练情况变化而增加或减少肌肉重量；儿童患者的身体会因为生长发育而迅速变化；退行性疾病患者因病可能会出现肌肉萎缩，或出现脊椎中立位基准线退化的症状，从而改变身体形态。相比刚性机器人，软体机器人则可以解决上述问题，因为它不是简单地在部件上增加填充物去适应人体变化，而是它本身的材料就是软的，所以其适应性会比刚性机器人更强。

软体机器人工程原理也可以用于被动动态系统的设计。麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）的Hugh Herr教授正在研究假肢的分级结构。Herr教授是假肢研究专家，同时他也是双腿截肢者。

假肢需要有坚硬的结构以提供支撑人体的力量，但是很难将它们直接连接到我们的骨骼上。坚硬而刚性的假肢一般通过缓冲部分与残肢的皮肤相互附着，其中最关键的是在不给残肢施加太大外力的情况下，将假肢安装到残肢上，并与残肢配合良好。使用刚性假肢除了会造成瘀伤等问题外，与残肢接触时还需要考虑的主要问题是，残肢上有多大面积的疤痕状皮肤组织会与假肢缓冲部分相接触，这些疤痕状皮肤组织比肌肉或正常皮肤更脆弱，依靠它来附着在假肢上直接承受身体的重量，可能会导致严重的问题。因此，Herr教授试图通过在假肢上增加用柔顺性材料制作的缓冲部分的设计来改善残肢皮肤附着部分的受力分布。

Herr教授实验室的研究人员使用超声波和CT设备扫描来确定残肢皮肤下的结构，然后利用这些结构信息，通过3D打印的方式做出一个柔软度不同的假肢底座，这个底座可以将主要受力分布从可能被假肢损伤的敏感部分转移到残肢上更强壮的部位，达到缓解压力和损伤的目的（见图1-4）。

软体手术机器人更侧重机器人与人体配合的工作形态，并具有更小的尺寸以最大限度地降低手术对人体造成的损伤。利用它在人体内部进行手术也开创了微创手术的先河。传统的手术机器人受限于直线运动，但软体手术机器人的弯曲变形能力使其能够进入人体内部展开手术。在一项更加打破常规的研究中，研究人员开始探索通过吞服可食用软体机器人让它进入患者胃肠道进行手术的方式来治疗胃肠道疾病。

图1-4　Hugh Herr教授穿戴着自己设计的假腿进行演示

图片来源：“Hugh Herr demonstrating new prosthetic legs at TED 2014”，由Wikimedia Commons网站Steve Jurvetson提供，在CC BY-SA 2.0授权许可协议下发布

如果我们进一步拓展软体机器人的应用技术领域，它们还可以包括将软体机器人永久植入人体方面的技术的研究。瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale of Lausanne）从事瘫痪治疗方法研究的研究人员就提出了一种修复脊髓神经损伤的创新方法。他们开发了一种柔软的、可伸缩的植入式软体机器人，它可以绕过脊髓神经的受损区域，通过电信号重新连接受损伤的神经。如果换用一个坚硬的刚性机器人植入身体，它可能只会工作很短的一段时间，而且当它碰撞到脊椎及其周围组织时，会磨损脊髓组织，这通常会引发炎症甚至造成人体对植入机器人的排斥。随着时间的推移，植入的机器人要么停止工作，要么对其他机体组织造成损害。

通过对小白鼠进行为期数周的体内柔性植入物（软体机器人）实验，研究人员发现柔性植入物不仅可以随着小白鼠身体一起伸展，而且它还能与小白鼠自身机体组织的柔韧变化相匹配。

当我们把两种材料的物体通过机械变形连接融合成一体时，将其中一种材料的关键特性与另一种材料的关键特性相匹配是至关重要的。你可以把它理解为电路中电子元器件之间的阻抗匹配。如果不匹配，则在后续过程中电路将会出现故障。

一种有潜力的植入技术的应用是将软体机器人植入我们的大脑，通过植入物来研究神经元群体中个体之间的相互作用，探索人类意识的机制。人类大脑的体积每天都在发生周期性变化。植入大脑中用于检测特定神经元活动的导线传感器，必须能很好地与周围组织一起运动，否则它就会偏离到大脑的其他部位。这就是要弄清楚一大群神经元在做什么是如此困难的原因之一。在植入时，必须将导线完美地连接到每个神经元上，并让它们与微观神经元一起运动，这样才能在不损伤它们的情况下了解神经网络的运作。在大脑中植入柔性电路是解决这个问题的一个可能的方法。

把复杂的问题变简单

软体机器人也可以让复杂的问题变得简单。你可以快速地构建柔性结构来执行复杂的任务，而不需要使用大量的刚性部件或者昂贵的工具。这意味着软体机器人是对另一种自然法则的完美呈现：用相同的机制来解决不同的问题。

受昆虫足上毛发的启发，Aaron Parness研发了一种搭建小型、柔顺、有弹性的机械装置的过程，我们将在第2章中对此进行更详细的描述。除了在柔顺性上的独特优势外，柔性制造还提高了装置的可装配性，由大量相同部件构成的足装配结构，可以快速、简单地进行扩展。这种流水线式的加工是通过用数控机床在蜡块上铣削出一个凹槽，在凹槽里放一个钩子，然后用半刚性注塑塑料填充它来实现的。当塑料硬化后，将蜡块磨平，给每个嵌入的塑料部件再继续铣削出更多的凹槽。然后在凹槽里面填充一种软塑料，作为弹簧。在第二层塑料固化后，完成的挂钩机构从蜡中弹出，然后准备将整个蜡块磨平并再次使用。这种简单、高度自动化的工艺过程使美国宇航局喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的研究人员可以毫不费力地生产出数百种机械装置。

一种沉船打捞机器人解决了从荷兰伊塞尔河（Ijssel River）里打捞一艘16世纪的沉船的难题。由于在水下沉寂了很长时间，历史久远的沉船很容易在受力不均的情况下解体，所以用传统的刚性机械夹持器打捞历史沉船并不是一个很好的选择。在打捞泰坦尼克号的大部分残骸时，多次的失败尝试就凸显了这一困难：被打捞上来的部分往往在被提起的过程中断裂而无法恢复。因此，为了将这艘荷兰沉船完整地打捞起来用于考古研究，打捞人员使用了一种吊带装置，这种装置使用单独驱动的皮带，在整艘船上均匀施力。几十条皮带在船底缠绕，顺着船体的不规则形状，轻轻地将船提离水面。

持久性、稳定性和适应性

虽然人们普遍认为软体机器人不能像传统机器人那样被重复使用，但事实上，软体机器人在某些情况下比刚性机器人更加耐用。有时，软体机器人是否能持久地工作取决于它们所处的环境。对于某些软体机器人，你可以开着卡车从它们身上压过去，它们只会暂时被压缩，等卡车开过去以后就能恢复原状。对另一些软体机器人，你可以用火把它们点着一段时间，因为这些机器人大部分都不是由敏感电子元件组成的，所以并不容易被烧坏。相比而言，一个刚性机器人在被一块大石头击中后就很难继续前进，因为大石头会让它破裂或者折断，使它无法正常工作。所以如果要把机器人送到有岩石坠落的地方开展工作，那么一个耐压的软体机器人可能才是最佳的选择。

大多数传统机器人的移动模式一般都只适用于在单一类型的地形中执行任务。对于仿人或仿生机器人来说，能够穿越不平整的地面和不可预测的环境是它们的理想特性。如果机器人的足底是平的和硬的，那么它就很难在不平坦或光滑的路面上行进。虽然可以通过附加传感器或行为预测的方式来克服这个困难，但使用柔性材料可以降低一些计算的复杂度，从而将困难从算法上转移到物理特性上并加以解决。一些混合式的柔性解决方案将机器人脚的一部分换成了可弯曲的碳纤维，以增加关节的灵活性，或者在脚的底部加入一些填充垫，从而防止机器人摔倒。

当遇到未知的地形时，机器人的自适应性则成了关键的特性。如果能预先掌握路径中的地面情况，使用履带结构是非常明智的选择。然而，当无法提前预知路况，直到最终发现需要穿越岩石、水面、冰面、泥土和沙地等各种地形时，履带结构也不是万能的了。此时，使用柔性结构的设计就可以提供更加灵活的解决方案。

在某些地方，刚性机器人很难表现得很好，比如在深海，那里压力太大，水的压力可能会导致传统机器人难以操作或完全失灵。如果你能潜入深海，看看周围的自然世界，你会发现深海的生物基本上都是软体生物。软体生命形式特别适合在这种环境下生存，因此，为满足这些条件而设计的软体机器人也能拥有类似的适应性。