前言 为什么要关注软体机器人
什么是软体机器人
当提起机器人时，你会想起什么？是像《星际迷航：下一代》中的Data那样的仿人机器人，还是一块块积木堆成的玩具机器人？是电影《黑客帝国》中的机械乌贼，还是工厂中焊接汽车的工业机械臂？这些标志性的机器人有一个共同点：它们几乎全部都是由刚性部件构成的。软体机器人则是由柔性部件构成（见图1）。
图1 Glaucus充气软体机器人—Super-Releaser Robotics公司开发的一种开源软体机器人
简单地说，机器人是一种能够自动执行一系列复杂动作的机器。更突出的一个特点是，机器人是一种可以由计算机编程的机器。机器人这个概念的范围有多广，从每天我们身边能见到多少机器人就可见一斑。机器人已经成为丰富日常生活的重要工具。我们甚至已经在软体机器人的包围之下了。可能我们并不称它们为软体机器人，它们可能就是发生车祸时精确弹射而出的汽车安全气囊，也可能是抬起整栋建筑物来修复地基的气囊式气动千斤顶。
如果说传统的机器人主要是由刚性部件构成，例如金属或者塑料，那么软体机器人（soft robot）就是一种由柔软和有弹性的材料作为主要部件制成的机器人。这些部件可能来自许多不同种类的材料，比如织物、纸张、柔性塑料、硅胶或者其他橡胶类制品。甚至活的心脏细胞也曾被用于软体机器人的制造。
柔顺性
软体机器人领域仍然在发展，研究人员使用的术语也在随之发展。该领域的一大显著特征是软体机器人的柔顺性（compliance）。柔顺性是一个专业术语，大致是柔软性的意思。但是，柔顺性比柔软性的意思更加丰富：柔顺性不仅仅描述摸起来的感觉，还描述系统的工作方式。机械系统的柔顺性主要表现在两个方面：一是构成系统的材料具有柔软性，二是系统对输入的响应具有顺从性。
行为柔顺性（behavioral compliance）是指机器人通过某种感知来对环境做出反应，然后控制系统的执行机构运动。一个很好的例子就是机器人手臂从空中接球。如果你每次投球的方式都完全一样，那么机械臂只要重复同样的动作就能接住球。但如果物体不同了，扔出的速度也变了，那么你必须让机器人对这些变化做出反应。这可以通过摄像头观察物体并计算出机器人应该移动到的位置来实现，也可以通过机器人手指上的传感器检测物体抓持的状态来实现。诸如此类对变化环境的适应便是行为柔顺性。
内在柔顺性（embodied compliance）描述了由柔性材料构成的系统受力时的特性。柔性材料不会像脆糖饼干一样被折断，而是会被挤压、拉伸、弯曲、压缩或发生膨胀。回想一下透明的塑料外带盒，盒子的铰接部分正好模压在两个外壳的中线上，这就是一种柔顺的机构，在包装被折叠的时候便发生弯曲。还有一些设备也体现出柔顺性，比如一体式模制钳子，它由四个铰链连接在一起，当你开合手柄时，铰链便形成了一个能够打开和关闭的小夹子（见图2）。
图2 活铰链型钳子
如果你观察当前已经开发出的软体机器人，你就会发现很少有完全不使用刚性部件的。大部分软体机器人都不是单纯用柔性材料做成的，即使有也是个例。目前正在研究的大多数软体机器人，其控制系统或者电源系统都包含一些刚性部件。除此之外，混合机器人同时使用柔性和刚性部件。本书并不是从一个绝对的角度去讨论，相反，所考虑的大部分情形属于混合机器人的范畴，并且重点关注那些主要功能部件是柔性材料的机器人。
软体机器人技术是一个潜力巨大的全新领域。尽管还处于萌芽阶段，少为人知，但它将彻底改变人类与机器的交互方式。软体机器人技术建立在对物体如何弯折、拉伸和扭曲的理解之上，这与机械工程的传统视角完全不同——传统机械工程试图尽可能地消除物体的这些特性所带来的影响。而在软体机器人领域，除了传统的机械工程之外，我们还有另一条路可走，那就是利用物体的柔软性。
什么是柔软性
到目前为止，我们一直在讨论柔软性，把柔软性和坚硬性或刚性相对应。柔软（soft）这个词在英文中有很多不同的意思，对这个词的定义有很多，但大多互相之间没有什么关系。即便抛开那些用来形容声音、个性、感情、困难程度等的意思，我们仍然会找出“柔软”这个词能够表达的很多物理性质。
用最简单的术语来说，软体机器人经常会用到能够弯曲、挤压或拉伸的材料。换句话说，软体机器人技术主要利用物体的柔韧性（flexibility，在不折断的情况下物体能被弯曲的能力）、压缩弹性（compressive elasticity，物体被挤压然后恢复到原来的形状的能力），或者拉伸弹性（tensile elasticity，物体被拉伸然后恢复到原来的形状的能力）。这些具有柔软性的材料最适合用在机器人上，因为它们让机器人能够执行重复循环的运动。与此相反的是，如果一个力作用在一个物体上，而物体没有恢复到原来的形状，那么这个物体就发生了塑性变形（plastic deformation）。
还有一些其他的柔软性的测量方法，这些方法没有考虑到材料在力的作用下是否会发生永久形变，就比如你使一块铜板凹陷，它就不会恢复到原来的形状。硬度计能测量物体被压缩的程度，但这与弹性无关。所以用硬度计测量一块水果和一块橡胶的硬度，得到的数值可能一样，但测试后两种物体的最终状态会有很大的不同。这些形式的柔软性在机器人中可能会有一些实用的案例，但是这些应用并不常见。因为尽管可以利用这些柔软性制作出单一实例物体，但这一过程却很难重复。而自动化的可重复性才是机器人技术的最大优势之一。
还有一些其他种类的触感柔软性，比如光滑性、柔滑性、丝滑性等，这些特性无论在与人类交互的关系上，还是在对摩擦等物理现象的描述上，都可能成为机器人专家会用到的性能指标。
一种柔性材料可以具有上述任何一种特性，也可以同时具有多种特性。橡胶就同时具有柔韧性、压缩弹性和拉伸弹性。在多数情况下，当提到软体机器人时，我们用来描述它们的很多术语都是相通的，而在其他一些情况下，我们可能会根据具体功能的需要使用特定形式的柔软性来描述机器人的特性。
材质和形态
柔软性是材料组成因素或形态的一种表现性质。材料的柔软性是非常直观的。我们知道橡胶可以被压缩和拉伸，这些都是橡胶的重要特性。
不那么直观的是，钢铁也能表现出所有这些特性。如果你把铁挤压成细铁丝、编织成电缆或把它连接成链状，它就变得柔软了。如果你把它织成钢丝球，那它也能被压缩和压扁。当然，金属弹簧也是有弹性的。钢铁很容易被归入“刚性材料”的范畴，但钢索、钢丝球、铰链和弹簧都是我们塑造这种刚性材料的例子，通过加工赋予了这些刚性材料柔韧性、压缩性和弹性。
从材料的形态所产生的柔软性的角度来说，纤维织物提供了更好的例子。柔韧性是大多数纺织品的一个特性，但不是所有的织物都是可拉伸的。在纺织品中，有一些有弹性的线，比如乳胶，它们本身是可以拉伸的。把稳定但有柔韧性的线织成弹力织物也是很常见的。针织面料在受力变形和线条相互滑动的情况下，从线间的空隙处伸展开来（见图3）。一件100%棉的针织T恤是很有弹性的，尽管纤维本身可能根本没有弹性。
软体机器人设计师和工程师可以通过控制材质和形态的组合来改变或放大柔软性的效果。在研究软体机器人时，最好考虑清楚柔软性到底是来自形态、材质还是两者的结合。这进一步加深了你的整体理解，并为你打开思路、创造出巧妙的设计奠定了基础。
图3 密密编织起来的织物
图片来源：“Follow Rolling Waves Cowl Detail”，由Flickr网站Ben Babcock提供，在CC BY 2.0授权许可协议下发布
自然世界中的软体机器人
发展软体机器人技术的巨大动力来自人们对开发仿生机器人的浓厚兴趣。科学家和工程师希望重现自然界中成功的设计模式。许多传统的机器人专家发现，仅仅使用刚性材料设计和制作机器人会遇到很多限制。看看自然界中的例子就很容易理解这一点了：自然界中的所有生物要么是完全柔软的，要么是软硬结合的。即使是像蜘蛛和螃蟹这样的硬壳动物，也需要柔软的肌肉和灵活的瓣膜来驱动周围液体的流动。我们自己的骨骼系统不仅仅是硬的，因为骨骼系统不仅包括骨头，还包括骨头空隙之间的软骨、肌腱和韧带等软体组织，它们紧密地调节着刚性结构之间的关系。
骨骼系统是软硬动态结合的系统。但在人类创造的世界里，我们看到的却恰恰相反。多数设计的运动物体都是由刚性部件构成的。随着时间的推移，许多眼光长远的机器人专家开始在他们的设计中加入柔性部件，使柔性材料迅速发展成为软体机器人领域的新兴研究方向。这也使得软体机器人在仿生机器人研究中继续发挥着核心作用。
从仿生学到生物启发
当研究人员从大自然中获取灵感来进行机器人的设计时，他们经常提到的术语包括仿生机器人（biomimetic robot）、生物启发式机器人（bioinspired robot）和生物机器人（biological robot）。我们用简单的定义来区分一下这些术语的含义：仿生机器人可以直接模仿自然世界的形式和运动；生物启发式机器人从自然世界中汲取灵感，并重新将这些灵感融入新的应用和环境中；生物机器人是由活的生物材料，如肌肉组织组成的机器人。
虽然软体机器人学是从仿生学的概念发展起来的，但随着时间的推移，这个领域更多地转向了生物启发的概念。举个大家熟悉的例子，魔术贴（也就是尼龙搭扣）就是受生物启发而产生的柔性工程。它的灵感来源就是芒刺（就是你沿着绿道散步时衣服沾上的小刺，见图4）。绑住尼龙搭扣环边的小钩子不是仿生的，因为它并不是从自然界现有的形态中直接复制过来的。相反，尼龙搭扣借鉴了自然界中一种实用的特性来形成一个柔软而灵活的系统。完全照搬自然界中的机制并不一定会产生有效的结果。然而，如果我们理解了自然界生物的内在机制和设计，就会发现从现有的生物中可以获取的解决方案是非常丰富的，因此我们可以通过生物的启发来设计和改造机器人。
图4 像魔术贴一样带钩的芒刺
图片来源：“Burr”，由Flickr网站Logan Ingalls提供，在CC BY 2.0授权许可协议下发布
生物启发式的设计是软体机器人领域的一个基本组成部分，但很难简单地通过几个例子来解释。在自然界中，你可以看到大象用鼻子以各种方式捡起物体。大象可以通过扭动鼻子，用鼻子末端缠绕物体来抓住它们，也可以用它的鼻孔吸气，从而吸附物体。这些独立的功能都可以成为设计软体机器人的灵感来源。
除了执行机构之外，生物启发式的软体机器人也可能从复杂系统的某个部分中提炼而来。人类的皮肤是一个集众多功能于一身的器官，它像一道屏障，将我们体内的器官保护起来。同时，皮肤也负责处理各种类型的感知，调节体温，在受伤时促进伤口的自愈，并配合体表的毛发为身体提供一个干燥的润滑环境。除非你是打算直接开发基于人类皮肤的技术（比如植皮之类的），否则你一定能从皮肤的某个方面获得启发，从而产生无数的新想法。目前在软体机器人领域已经涌现出了一些研究工作，将皮肤的自我修复功能衍生为设计灵感，使皮肤的这种自然属性在设计出的机构中重新得以诠释。
软体机器人的另一个较小的组成部分是生物机器人，这一领域涉及对生物本身的操纵。“赛博格”（cyborg）机器人是活体的生物组织与人造器官结合而成的新概念。这一充满无限可能的领域极大地得益于实验室器官培育技术和基因工程的发展。虽然现阶段研究人员开发的仅仅是小型的生物机器人，但耐用的生物混合系统却更加有望发展成熟，并为脑机接口的实现铺平道路。
自然界中的柔顺性
生物体是柔顺行为和柔顺材料的结合体。鸟类的脚是自然界中这种结合的一个很好的例子。鸟类大多栖息在树枝上，它们的脚上有一种特殊的构造，使它们能够轻易地在树枝上自然站立。鸟类的前脚趾和后脚趾之间有一条可伸展的肌腱，保证只要鸟的重心在树枝上，它们的脚就能牢牢地抓住树枝，即使睡着了也不会掉下来。而且鸟类能够把脚作为灵巧的工具使用，像我们人类使用手一样。由柔性肌腱产生的被动抓取体现出鸟的脚具有内在柔顺性，也就是材料柔顺性；能够使用同样的系统来做许多复杂的事情，比如梳理毛发和抓取种子，则表现出鸟类的脚还具有行为柔顺性。
乌贼的喙形嘴（见图5）也是一种神奇的柔顺结构。乌贼几乎完全是柔软的。乌贼身体的软硬程度和西红柿一样，但它们却有一个像鸟的喙一样坚硬的嘴。这让它们可以吃比它们本身更坚硬的东西。它们怎么从柔软的脸上长出这样一个坚硬的吃饭工具呢？答案就是靠它的柔顺性。
图5 巨型乌贼的喙形嘴和它连接的肌肉
图片来源：“Giant Squid Beak and Buccal Mass”，由Wikimedia Commons网站Smithsonian Institution提供，在公共领域授权许可协议下发布
如果你观察乌贼的喙形嘴是如何附着在身体上的，你会发现喙形嘴和身体之间没有什么突变的间隙。乌贼的喙形嘴有一个可扩展的结构，能平滑地从喙过渡到头部。随着喙形嘴逐渐深入头部，它的结构就会变得越来越柔软。
乌贼的喙形嘴是由一种坚硬的富含蛋白质的化合物构成的，这种化合物叫作几丁质（chitin）。这种物质的外层非常疏水（hydrophobic），这意味着它的结构中没有多少水。随着喙形嘴逐渐进入身体内，这种坚硬的结构变得更亲水（hydrophilic），将使更多的水整合到蛋白质晶格中。当喙形嘴进入乌贼的外套腔时，它就会变软，这使乌贼的喙形嘴能与它柔软的肌肉结构平滑地融合。当乌贼移动时，来自喙形嘴的力线自然地分布在乌贼身体的其余部分。这种结构上的柔软性也让乌贼的整体结构发生了巨大变化。喙形嘴的柔顺性使乌贼撕咬物体的力能够分布在一个大的区域，这使得乌贼身体的其他部分能够吸收高压而不会分离。
在本书中，我们将从自然界中学习很多技巧，并将它们与材料科学、快速原型和数字制造等技术中的创新结合起来。我们的目标并不是教条地模仿大自然，而是从大自然对机械问题的巧妙解决方案中汲取灵感。
软体机器人有什么用
下面我们简要介绍研究人员正在应用软体机器人来解决的当今人们所面临的一系列关键问题。我们将在第1章中以更多细节和案例来详述这些主题。
软体机器人技术有助于解决人机交互方面的挑战。人类都是柔性的。就真正工程意义上刚性的度量标准而言，人类的身体更像是一颗葡萄，而不是钢铁。人体弯曲和移动的方式很复杂，我们的关节不能像电机轴那样完美地转动。无论你是想要做出能与人在生产线上紧密配合的机器人，还是想要增强我们身体自身的能力，都需要设计出符合我们自身柔顺性的架构。
软体机器人非常适合用于看护病人。作为人机交互的一个重要部分，看护任务中同样也需要机器人的特性应满足人类的需求，同时还要求机器人承担额外的责任。从帮助多发性硬化症患者早起穿衣，到帮助卧床不起的病人翻身以防止褥疮，每件事都需要细致的操作，而且需要特别注意机器人会不会帮倒忙伤害了病人。此外，孩子们的机器人同伴需要具备内在柔顺性，这样才能安全地教会孩子们学习系鞋带和辨认绿道上的石头。在机器人的设计中使用柔性的方案可能会更加安全，同时也能避免机器人完不成任务还伤害到用户。
软体机器人还非常适合用于对物体进行精巧操纵。人的手掌上有很多皮下脂肪，大象的鼻子上覆盖着柔软的皮肤，指甲可以弯曲，蜘蛛猴用来缠绕的尾巴上覆盖着隆起的皮肤。这些柔顺系统之所以存在，某种程度上是因为具有柔顺性的系统能够更加轻易地操纵各种物体。对于软体机器人来说，拥有一个能够适应各种输入的机械系统是最理想的情况。
软体机器人可以适应复杂的地形和多变的形状。无论是攀登火星陡峭的悬崖还是从藤上摘下水果，能够适应不规则形态是柔顺系统的一大亮点。美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心的研究人员目前正在探索如何设计能够承受高速撞击的探测器，以便将它们抛向遥远的小行星，因为那里没有可供软着陆的大气层。还有一些正在开发的火星探测器借鉴了飞虫足的结构，这种设计使探测器能爬上不规则的火山岩面，这些岩石表面在火山中占据很大一部分面积。此外，受章鱼触手启发制成的高度自适应的夹持器，目前已经在食品处理中投入应用，这种夹持器能将农产品包装成箱以运往世界各地，而免去了生产线上的人工操作。
软体机器人技术为低成本机器人技术带来了新的机遇。密封气囊、注塑橡胶和缝制布料都是制造机器人的廉价方法。与精密加工或金属锻造相比，它们便于复制和更新迭代。这便成为软体机器人技术的一个优势，因为这些材料既可以让试验新机器人的设计师使用，也能够在设计成熟时方便地扩展到大规模生产，而无须在机械改造上投入巨额资金。
软体机器人技术是设计超轻机器人的理想方式。充气机器人有一些独特的优势：强大的机械装置，重量几乎为零。如果你设计时所使用的材料可以根据气压的变化而改变形状，便能够制造出无须费力就可携带的复杂机器。因为空气基本上是无处不在的，其实也是没有重量的。软体机器人技术还能够通过单个组件的弯曲来执行复杂的功能，而如果不用柔性结构的话，这些功能通常需要多个部件来实现。减少机器人零件的数量也可以大大减轻机器人的整体重量。
如何使用本书
本书的目标是通过浅显易懂的讲述，让读者能够像搭建积木一样制作软体机器人。通过跟随本书学习，你将能够搭建自己的柔性机构，并评估它们潜在的实用价值。通过本书，你能够学会搭建拉线三脚架、真空动力夹持器，甚至能够制作一个可编程的软体机械夹爪。
本书中的一些章节描述了如何搭建装置（如真空室），这些装置将帮助你制作一些不寻常的机构。其他章节有一些简短的、小规模的实验，你可以在不到一个小时的时间里完成。最后，还有一些关于复杂机构的进阶章节，里面有很多装置需要几天时间才能完成。这些更复杂的教程包含“制造纲要”板块，为你提供了制作过程的高度概括，以及时间线和材料清单，保证你尽可能容易地完成和复制这些实验。
要使用好“制造纲要”板块，我们建议你首先阅读整个教程，然后在收集了材料并准备开始搭建项目时再返回这个板块。从这个板块中，你会得到项目执行的明确时间线，并在每一步完成后进行打钩确认。
本书中所有项目的文档都可以在GitHub网站上一个叫作“MakeSoftRobots”的代码仓库中找到（网址为https://github.com/Gianteye/MakeSoftRobots，也可以到华章官网下载）。
本书倾向于把气动作为动力来源，因为作者在这方面更有经验。然而，各章节中的项目也为你提供了其他各种动力机制的介绍，以确保你在探索自己的软体机器人创作时，可以选择不同的方向。
成为一个软体机器人专家
因为软体机器人技术是一个全新的领域，所以那些在车间或车库修修补补的人们反而有机会发明出全新的软体机器人，而传统机器人技术领域却非常复杂，进行尖端研究通常需要昂贵的实验室和高度专业化的设备。这本书尽其所能涵盖了软体机器人技术的重要方面，但这个领域是如此之大，并与如此多的其他学科相联系，没有一本书可以涵盖所有方面。
2013年Mirko Kovac在Soft Ro-botics期刊上提到，跨学科的好奇心、对生物系统的回顾、转化的创造力，以及对非传统设计的开放性被认为是将生物灵感带入自己项目里的理想途径。在软体机器人领域，真正让我们感到兴奋的事情之一是，从事软体机器人研究，会更多地激发你的好奇心，让你进行更多探索和实验。当你愿意动手实践、善于提出质疑、乐于从探索自然中寻找答案时，你便能得到最有价值的收获。
如果我们所描述的一切都是正确的，你一定已经相信软体机器人和柔性机构是很酷的，并且值得研究。现在你可能会问自己：“我怎么才能获得这些东西？”
通过本书，你会快速掌握制作第一个机器人所需的基本技能，然后我们将从制作一个软体机器人入手。我们将对软体机构进行研究，并动手完成软体机器人的小实验，使用标准的Makerspace工具构建定制的装备来制作复杂的机构，并最终构建出一个完整的数字驱动气动软体机器人的控制系统。