王海濤 彭熙鳳 林本末

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院，遼寧 大連 116026)

摘 要: 軟體機器人是由柔性材料加工而成的，可以任意改變自身尺寸，與剛性機器人相比具有高順應性、適應性和安全性等特點，在工業、農業、醫療、救災等領域都有廣闊的應用前景，受到國內外學者的青睞。文中從制作材料、制作方法、驅動方式、應用領域、傳感與控制方面對軟體機器人進行綜述，介紹了軟體機器人的制作材料和柔性材料的新成果，以及近年來制作軟體機器人較新的方法；按照驅動方式將軟體機器人分為流體驅動、智能材料驅動、化學反應驅動，并對每種驅動方式的特點和典型結構進行了總結；對軟體機器人的建模方法和控制策略進行歸納與分析，得出了開發剛柔并濟的新材料、高效制造和精準控制是研究軟體機器人的未來方向。

關鍵詞： 軟體機器人；驅動；仿生學；傳感與控制；軟材料；研究進展

隨著科技的發展，機器人已經廣泛運用于醫療、救援、工業、農業等多種領域。大多數傳統的機器人是由硬質材料制成的，輸出力量大、速度快和精度高，但傳統機器人的結構復雜，靈活性差，使其不能穿過狹窄的空間，也不能適應形狀復雜的通道[1- 2]。由于傳統機器人的一些缺點不能滿足人類的需求，促使越來越多的研究人員開發軟體機器人，并取得了巨大的進步。軟體機器人主體材料采用變形較大的柔性材料制成，可實現連續變形，并任意改變自身的尺寸和形狀[1- 2]。柔性材料的使用使得軟體機器人的質量比傳統機器人輕，并能夠安全地與人協作，還具有自主適應不同形狀的能力[3]。同時，軟體機器人的發展也面臨著一系列的困難和挑戰，新的軟體結構對材料和傳感技術的要求越來越高，現有的材料并不能完全滿足所要實現的功能，如何使材料擁有高度的柔順性和較高的剛度，依然是一個亟待解決的問題。傳統的傳感器由于軟體機器人高度的柔順性也無法得到良好的應用，所以具有高伸展性能和彎曲性能的新型傳感器還有待于開發。

軟體機器人的設計靈感大多數來自于自然界的生物，特別是軟體動物的“肌肉性靜水骨骼”生理結構[4]，成為眾多研究人員的仿生熱點，例如德國Festo公司的仿象鼻機械臂BionicSoftArm[5]，Festo公司在研發仿生機器人領域有十幾年的經驗，并取得了一系列的成就，其中BionicSoftArm和BionicSoftHand是2019年最新的研究成果。文中將依據近年來軟體機器人的發展，從制作材料、制作方法、驅動方式、應用領域等方面對軟體機器人的研究現狀展開論述，探討在軟體機器人技術研究中存在的問題和面臨的困難。

1 制作材料

大多數軟體機器人都是由柔軟的材料制作的，由于軟材料有比較大的拉伸率，使軟體機器人能夠靈活運動，具有多個自由度。高彈性體、塑料、顆粒、智能金屬和織物等都可以用來制作軟體機器人。目前，研究人員也相繼研發了一些新的材料，為制作軟體機器人提供了更多可能。

1.1 現有材料

目前制作軟體機器人的材料主要包括高彈性體、塑料、顆粒和織物，其中具有高彈性的硅膠是制作軟體機器人使用最多的材料。市面上所售的硅膠種類繁多，德國Waker公司和美國Smooth-on公司生產的硅膠材料是在軟體機器人領域應用最廣泛的。

Faudzi等[6]利用氣動人工肌肉研發了仿象鼻系列機器人OctArm，氣動人工肌肉是由一種高彈性體材料和外部織物護套組成的驅動器，它的伸縮和彎曲運動都是通過改變織物的編織方向實現的。第四代OctArmIV的末端執行器可以提供最大890 N的縱向負載和250 N的橫向負載[7]，如圖1(a)所示。Polygerinos等[8]制作了一款可以輔助人類手部康復的軟充氣手套，模仿了手指的彎曲功能，如圖1(b)所示。手套的主體材料為硅橡膠，是德國Waker公司生產的Elastosil M4601 A/B型硅橡膠[9]，這種硅橡膠是一種超彈性材料，當材料受到拉力時可以伸長至它們原長度的數倍，當拉力解除后可以自行回彈到原來的形狀，經實驗測定其斷裂伸長率為700%。Larson等[10]提出了一種高彈性電致發光皮膚(HLEC)，它能在主動發光的同時進行大的單軸拉伸和表面積變化。HLEC有5層結構，約1 mm厚的電致發光層(ZnS-Ecoflex 00-30)，夾在兩個PAM-LiCl水凝膠電極之間并封裝在Ecoflex 00-30中。Ecoflex 00-30[11]是美國Smooth-on公司生產的彈性材料，是用鉑催化的有機硅，使用時，有機硅和鉑催化劑按質量或體積比1∶1混合，可在室溫下固化。他們將這種皮膚運用在氣動軟體機器人上，向機器人底部兩層注入壓縮氣體后能實現機器人的爬行運動，并且在爬行過程中能自主發光，如圖1(c)所示。Hawkes等[12]利用壓力驅動倒置容器外翻的原理，使用聚乙烯薄膜模仿藤蔓的生長制作了一款伸長型的機器人。在沒有主動控制的情況下，軟體機器人可以在各種復雜環境中伸長，既可以穿過狹窄的空間和繞過障礙物，還可以伸長成特定的三維結構，如圖1(d)所示。Brown等[13]制作了一款由研磨咖啡和乳膠外皮做成的通用顆粒夾具，該夾具可以被動地符合目標物體的形狀，然后真空硬化，剛性地抓住物體，稍后使用正壓力釋放物體并返回到原始可變形狀態。這款通用夾具無需主動反饋，但必須抓住物體表面的一部分才能牢牢抓起物體(見圖1(e))。Kandhari等[14]提出了一種基于織物的蠕蟲狀機器人MiniFabricWorm，其結構中不包括任何的剛性部件，使用尼龍管做成菱形網格形狀，并整合到織物中，使結構具有柔順的蠕蟲形狀，當被驅動時，可以模仿蠕蟲般的蠕動運動(見圖1(f))。織物可以固定網狀物，使其在運動期間保持其形狀。此外，可通過拉伸織物提供恢復力，從而不需要添加恢復彈簧。

   

圖1 不同材料制作的軟體機器人
Fig.1 Soft robots with different materials

1.2 新材料

為了制作性能更優越的軟體機器人，研究人員對現有材料進行改進或開發新型水凝膠材料，新型材料的引入，最終帶來了軟體機器人新的部件和功能。Miriyev等[15]利用乙醇與硅氧烷彈性體制備了一種柔軟的材料(由于兩者的充分混合，乙醇液體分布在彈性體基質中的微泡內，當材料受熱時，液態乙醇隨著溫度的升高而蒸發，在微泡內產生壓力，導致彈性體基質膨脹，如圖2(a)所示)，并證明了這種材料可以在一系列機器人應用中用作致動器。由于軟體系統對損傷的易感性，使用自愈材料構建機器人變得非常重要。Valentin等[16]開發了一種新型水凝膠材料，如圖2(b)所示，具有刺激響應性和自粘性的水凝膠構建塊，可以簡單地“自己動手”構造軟體機器人和微流體裝置。“即插即用”水凝膠部件能夠模擬生命系統中的驅動、傳感和流體輸送，并能在中等陽離子的作用下允許水凝膠表面之間強烈的自粘附。Park等[17]利用機器人卷曲或扭曲時發生分子變化的現象，在機器人的材料中加入了變色化合物，這些化合物在拉伸時會被激活，如圖2(c)所示。這樣做是為了創造一個能夠在移動時隱藏自身的機器人，并且因為在材料應變最高的地方顏色變化最強烈，它可有助于指出機器人易受破壞的位置，還可以通過添加其他化合物來釋放藥物分子，使機器人發光或在材料破裂時修復材料。Cangialosi等[18]制造了由DNA觸發的變形水凝膠材料，如圖2(d)所示，探討了水凝膠材料如何響應具有不同終止信息的DNA序列，進而變成不同的形狀。可變形的水凝膠材料能響應外界刺激產生彎曲、扭轉等動作，這種特性對軟體機器人、可編程物質和智能醫療至關重要。

   

圖2 幾種柔軟的新材料
Fig.2 Several new soft materials

軟體機器人的發展將需要研究新的多功能材料，自愈材料的應用將提高系統的魯棒性，使其適用于嚴酷和不可預測的環境，有些軟體機器人的制作需要快速調整材料的剛性能力，以便在軟/順應狀態和硬/承載狀態之間實現快速、可逆的切換，“剛柔并濟”材料的研發也是需要攻克的難題。

2 制作方法

軟體機器人本體的制作方法主要包括3D打印技術、鑄造法、軟光刻技術、激光雕刻、沉積工藝等。隨著3D打印機的發展，各種功能的打印機被開發出來，其中一些打印機可用于直接打印軟執行器。

Peele等[19]開發了一種用于數字掩模投影立體光刻(DMP-SL)的低成本系統，該系統利用數字反射鏡設備照亮，并選擇“自底向上”的過程，通過一個透明托盤的底部一次性完成整層樹脂的光聚合。其后該團隊利用DMP-SL制造了具有復雜內部結構的軟致動器，DMP-SL實驗裝置如圖3所示。Yirmibesoglu等[20]提出了一種能夠實現3D打印軟體機器人的擠出機構，采用高精度注射泵，結合定制3D打印機，可以一次性打印整個軟體結構，如圖4所示。其打印用料為液體硅膠，直接在機器內部混合，然后用注射泵擠出，對流加熱機構對擠出的材料加熱固化，保證打印體不發生坍塌；用耐高溫材料制造了混合室，保證混合室是絕熱的，材料在擠出前不會固化。

   

圖3 數字掩模投影立體光刻實驗裝置[19]

Fig.3 Experimental device of digital mask projection stereo lithography

   

圖4 3D打印機[20]
Fig.4 3D printer

目前鑄造法是制作軟體機器人比較常用的方法。文中以澆鑄法為例，其具體步驟(流程圖見圖5[21])如下：①制作模具，通常采用普通3D打印機打印模具；②向制作好的模具中倒入已經調制完畢的硅膠液體，固化硅膠；③硅膠完全固化后脫模取出，連接裝置。旋轉鑄造也是一種鑄造方法，大多數旋轉鑄造工藝都使用帶有兩個旋轉軸的框架來覆蓋空心模具的內部，在旋轉過程中，熔融的熱塑性樹脂涂在模具表面上，然后冷卻，直到材料變硬。Zhao等[22]開發了用于制造軟致動器的旋轉鑄造系統，如圖6所示，使用的材料是在室溫下的液體，并在鑄造過程中聚合成軟彈性體。旋轉鑄造法的主要優點是不需要粘合劑，與其他粘合的軟驅動器相比，這可以產生更大的力，并且此款旋轉鑄造系統將來有可能會使用更堅韌的材料。

   

圖5 澆鑄流程[21]
Fig.5 Casting process

   

圖6 旋轉鑄造系統[22]
Fig.6 Rotary casting system

軟光刻技術是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑，將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術。其主要過程如下：首先紫外光通過掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學反應；然后通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠，使掩膜版上的圖形被復制到光刻膠薄膜上；最后利用刻蝕技術將圖形轉移到基片上。Ranzani等[23]將多層軟光刻、精密激光微加工和折疊技術相結合，提出了建立三維微型軟結構和器件的新方法；該團隊制造了一款具有嵌入式微流體電路的軟蜘蛛，首先使用軟光刻技術生成12層彈性硅膠(這些硅膠共同構成了軟蜘蛛的材料基礎)，再使用激光微加工技術從模具中精確切割每一層，然后粘合到下面的一層以創建軟蜘蛛的3D結構。Chin等[24]提出了一款用電機驅動的柔性執行機構Handed Shearing Auxetics，使用聚四氟乙烯圓柱管激光雕刻成型。

在形狀沉積工藝中常用軟材料作為支撐材料，用硬聚氨酯作為犧牲材料，可以將傳感器融入到機器人本體中，制造微小尺度軟體機器人，但加工工藝較復雜，成本較高，沉積過程中對加工環境要求也較高，此處不再詳細贅述。

與軟光刻技術和澆鑄法相比，3D打印技術無需人工干預，尺寸誤差小，制造時間縮短50%以上。3D打印的軟體機器人性能更好，功能更加強大，可靠性更高。目前3D打印技術直接打印軟體機器人是一個正在開發的領域，在材料和傳感技術發展的推動下，3D打印技術也有可能實現驅動傳感一體化打印。

3 驅動方式

為了使軟體機器人在工作中能夠產生彎曲、伸縮和扭轉等動作，除了需要有高柔性和大變形能力的材料外，其驅動方式也至關重要。目前的軟體機器人驅動方式中，有的通過傳輸介質對本體進行驅動，有的采用變形能力強的材料作為驅動介質，還有的直接利用本體內化學反應產生的動力進行驅動。根據驅動原理的不同，可以將驅動方式分為氣體驅動、智能材料驅動、化學反應驅動3類。

3.1 氣體驅動

氣體驅動被廣泛地用于軟體機器人上，氣體驅動可以分為正壓驅動和負壓驅動兩種形式。正壓驅動是指通過向腔體內充入壓縮氣體，使腔體膨脹帶動軟體執行器運動和變形。負壓驅動是指通過抽真空的方式把腔體內的空氣抽走，使腔體產生收縮并帶動軟體執行器運動和變形[25]。

Fei等[26]提出了一種基于織物的多功能和剛度可調節軟夾具，它由兩個片狀手指和一個圓柱形手腕構成，使用正壓驅動，如圖7所示。雙向彎曲的片狀手指不但擴大了可以抓握的物體的尺寸范圍，還能夠更穩定地抓住各種形狀的物體，可調節的夾持力擴大了可以抓握的物體的質量范圍，通用的軟手腕允許它以各種方向抓住物體。因為片狀手指致動器是雙向可彎曲的并且在兩側具有可膨脹的氣室，改變兩側腔室中的共同壓力，可以改變手指的剛度，腕部的剛度也可以用相同的方式調整。測試表明，該夾具可以產生的最大夾持力向內為40 N，向外為38 N。

Vasios等[27]簡化了正壓氣體驅動的軟體機器人，利用水流過稻草時稻草越薄、水越難通過的原理，精心挑選了不同尺寸的管子來控制空氣穿過設備的速度。單個輸入其中一個管，泵送相同量的空氣，但管的尺寸決定了空氣流動的方式和位置。該團隊展示了一種具有嵌入式驅動控制的四足軟體機器人的設計方法。嵌入機器人頂部的管子將空氣依次引導到每條腿，使機器人能夠爬行，如圖8所示。這種由加壓空氣驅動的新型簡化軟體機器人用一個輸入取代了多個控制系統，減少了為設備供氣所需組件的數量、質量和復雜性。

   

圖7 剛度可調節的軟夾具[26]
Fig.7 Soft gripper with adjustable stiffness

   

圖8 簡化的軟體機器人[27]
Fig.8 Simplified soft robot

Hyatt等[28]對能夠執行操作任務的大型氣動軟體機器人進行有效的配置估計和控制。由Pneubo-tics[29]公司開發和制造的基于織物的正壓氣動系統見圖9。King Louie有兩個四自由度的手臂，每個臂的長度為1.1 m，還有一個單自由度的髖關節。Kaa是一個1.5 m長的六自由度系列的機械手，被安裝在NASA Ames的K-Rex漫游車上，完成了支撐、掃地、安全人機協作、拾取和放置等任務。

   

圖9 大型氣體驅動的軟體機器人
Fig.9 Large-scale soft robots driven by gas

利用負壓驅動的軟體機器人的設計和研究也逐漸開展。Li等[30]提出了流體驅動的折紙人造肌肉FOAM，這些肌肉可以很容易地由各種各樣的材料制成，通過改變骨架的幾何形狀可以實現各種運動，還可以使用具有不同鉸鏈剛度的空隙來實現差異收縮，產生不對稱的平面外運動，與由高壓氣體驅動的人造肌肉相比，使用負壓為FOAM提供了更安全的致動方式。之后，Li等[31]繼續用折紙帶來的靈感研發了一種新的夾具，是一種由折紙“魔術球”和柔性薄膜組成的輕量化、真空驅動的柔性機器人夾持器。此款夾具制作簡單，一個柔順的折紙“魔術球”結構作為抓握器的內部骨架，它的表面被一個橡膠氣球或薄織物片覆蓋，骨架和外表面可以是不同材料的組合應用。實驗結果表明，即使在高負荷下，該夾具也能較好地抓取各種物體，如圖10所示。

   

圖10 真空驅動的折紙軟夾具[31]
Fig.10 Origami soft gripper driven by vacuum

使用氣體驅動具有反應速度快、變形快、質量輕等優點，但同時也存在一些不足：①對密封性要求高，難以實現驅動設備的小型化，需要外置氣管、空氣壓縮機等復雜結構；②氣腔在充氣膨脹時若不添加限制層會出現爆裂等情況。因此，氣體驅動執行器還有待于優化和創新。

3.2 智能材料驅動

采用智能材料驅動軟體機器人是目前驅動方式中研究較多的方向，形狀記憶合金(SMA)、電活性聚合物(EPA)、聚合物-金屬復合材料(IPMC)等都屬于智能材料。SMA是兩種以上金屬元素構成的材料，通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應，其質量小，易于實現驅動器的微型化、自動化且響應速度快，工作無噪聲，因而受到眾多研究人員的青睞。EAP具有特殊的電性能和機械性能，這種聚合物在受到電刺激后產生形變，具有較大的應變能力，且質量輕、驅動效率高、抗震性能好。IPMC是一種新型的智能材料，由于其具有良好的機電轉換能力且本體柔軟，可以制作成多種驅動器和傳感器，因而在各個領域中展示出巨大的應用潛力。

Alcaide等[32]用SMA彈簧和硅膠制作了一個三段式仿蠕蟲機器人，這個機器人由3個相同的部分組成，每個部分有3個SMA 彈簧位于120°的位置，用硅膠做皮膚，如圖11(a)所示。3個SMA彈簧控制每個部分的方向和擴展，柔軟的皮膚為SMA彈簧提供恢復力。在每個部分中，每個SMA彈簧都由脈沖寬度調制(PWM)電流信號獨立控制。Laschi等[33]將 SMA 和軟材料相結合，研發了一種多臂章魚機器人，該機器人可以像生物一樣在水中行走，還能抓取各種形狀和大小的物體(見圖11(b))。Kong等[34]提出了一種基于交叉編織SMA線材的增強型人工肌肉模塊。SMA線材在三維空間中交叉編織成交叉結構，實驗證明了編織方法應用于SMA人工肌肉模塊的可行性，編織方法可大幅增加人工肌肉模塊的有效應變。Wang等[35]設計了一款基于形狀記憶合金的柔性夾持器，該夾持器由3個具有可變剛度的相同手指組成，用于低剛度狀態下的自適應抓取和高剛度狀態下的有效抓取，其中SMA材料為驅動材料，形狀記憶聚合物(SMP)為可變剛度材料，如圖11(c)所示。

   

圖11 智能材料驅動的軟體機器人
Fig.11 Soft robots driven by intelligent material

Cianchetti等[36]模仿章魚臂肌肉模塊，提出了一種基于電活性聚合物的新型軟驅動器，致動器利用金制薄膜作為電極，硅膠壓片作為主體材料，通過4個縱向肌肉和多個平行的橫向肌肉獲得仿生章魚臂。

Wang等[37]利用薄膜表面的導電層之間的靜電引力促使薄膜發生壓縮與形變的原理，開發了由離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)組成的機械臂，如圖11(d)所示(該機械臂由6段組成，每段可以單獨控制，柔順性較高)，利用機器學習實現路徑規劃，使其通過導航功能穿過狹窄的鎖孔，但響應和運動速度較慢。

SMA驅動雖質量輕，可以實現微型化，但溫度難以控制，驅動頻率低。EAP驅動雖變形量大，能量密度高但需要較高的激勵電場，穩定性差。IPMC驅動雖能通過小激發電壓引起環形結構的大彎曲變形，從而穿過狹窄的縫隙，但具有耦合效率低和致動速度較差的缺點。

3.3 化學反應驅動

化學反應驅動是指利用化學反應產生的能量驅動機器人運動。化學反應驅動是一種特殊的驅動方式，借助機器人內部的微流道可以實現完全自主的運動。Wehner等[38]研發的世界上首款能夠自主移動的全軟體機器人Octobot，就是利用化學反應驅動的，如圖12所示。該機器人利用先進的3D打印技術獲得連通機器人8只觸手的氣液流體微孔道，注入體內的過氧化氫溶液在壓力作用下流過微孔道，當遇到機器人體內的鉑催化劑時，發生化學反應并釋放氣體，使通道體積膨脹發生變形，從而驅動機器人實現運動。Bartlett等[39]使用三維打印將多種材料融合在一起，建造了一個燃燒動力機器人，由丁烷和氧氣燃燒提供動力，該機器人能夠執行無繩跳躍。Loepfe等[40]開發了一種由無氧化亞氮-丙烷/丁烷氣體混合物燃燒驅動的完全不受束縛的軟體機器人，該機器人使用一個不倒翁的結構，每次跳躍后都能自動平衡到一個直立的狀態。化學反應驅動擺脫了外部連接裝置的束縛，實現了機器人的靈活性，但存在化學反應不可控的問題，隨著相關技術的成熟，此種驅動方式將會為軟體機器人的發展帶來突破性的進展。

   

圖12 全軟體機器人Octobot[38]
Fig.12 Full soft robot-Octobot

4 應用領域

4.1 仿生結構

軟體機器人的研究促進了仿生機器人的發展，使仿生機器人不再是純剛性材料。軟體動物身體柔軟內部沒有硬質骨骼的特性讓研究人員受到了啟發，推進了仿生機器人的發展。目前仿生機器人已經可以實現蠕動爬行、腿式爬行、噴射游動、魚形游動、蠕動等多種仿生運動。Rafsanjani等[41- 42]模仿m蛇爬行制作了一種纖維增強型彈性軟驅動器，如圖13(a)所示，它在充氣時軸向延伸，通過在執行器周圍包裹Kirigami皮膚以增強軟執行器的爬行能力，Kirigami皮膚是通過將一系列切口嵌入薄塑料片來制造的。卡耐基梅隆大學與其他高校合作創建了帶有形狀記憶合金執行器的無繩軟機器人[43]，如圖13(b)所示，可實現4條腿的相互協作，模仿動物的奔跑動作。

   

圖13 幾款仿生機器人
Fig.13 Several kinds of bionic robots

受到柔軟的頭足類動物使用水力噴射進行高速水下運動模式的啟發，Keithly等[44]開發了一種可膨脹硅膠囊的噴射發動機，使用甲烷和氧氣燃燒產生的動力驅動硅膠囊膨脹，并快速釋放化學反應產生的氣體，模仿魷魚的噴射高速運動。Hou等[45]研發的仿生機器人-魷魚如圖13(c)所示，可以使用水射流推動自己出水，在半空中滑行，并潛入水中。仿生魷魚機器人主要由壓縮空氣提供動力，目前只能進行單次噴射，對此研究人員正在嘗試使用密度稍大的氣體來代替壓縮空氣，以延長噴氣時間。Robertson等[46]研發出一款以扇貝為靈感的水下機器人RoboScallop，如同真正的扇貝一樣，擁有兩片相連接、可以開合的外殼和一片包裹外殼的彈性膜代替扇貝肉，如圖13(d)所示。在仿生貝殼張開時，水被吸入殼內；閉合時，水從彈性膜兩側沒有連接的部分擠出，推動機器人向前或向上移動。扇貝機器人可用于水下遙感、監測和探測，或在精細生態系統中開展工作，或在水下機器人群中使用以完成各種專業任務。

Katzschmann等[47]設計了一款可以三維游泳的軟機器魚，可連續記錄它所追蹤的水生生物；通過使用小型聲學通信模塊發送速度、轉彎角度和動態垂直潛水等命令來引導魚，如圖13(e)所示。這款軟機器魚柔軟的執行器設計，有助于更自然地融入海洋環境，可用于研究水生生物和海洋動力學的相互作用。Aubin等[48]創造了一種由電池液驅動的機器魚，如圖13(f)所示，其開發人員稱電池液為“機器人血液”。“血液”是一種碘化鋅的電解液，鋅在放電的過程中被氧化，釋放出電子和可溶性的鋅離子。電子通過機器人的電子設備流向陰極電解液，電子移動產生的電流為微控制器和人工循環系統泵供電，并將電解質作為液壓油制作了一套液壓驅動裝置，用于驅動魚鰭擺動。這條機器魚雖然反應很慢，但是這個思路在未來解決軟體機器人驅動和其他機器人問題上都具有啟發意義。Zarrouk等[49]開發了全球第一款單獨制動器波形機器人(又叫SAW機器人)，其設計十分簡潔，全身上下僅有一個馬達和一個剛性螺旋，這個螺旋被嵌在類似于履帶的3D打印鏈條中。當馬達旋轉時，就會帶動螺旋轉動，使履帶產生上下蠕動的“波浪”，推動機器人前進。SAW機器人的應用方向可分為兩類：一是在復雜環境內進行安全檢查，例如隧道、管道及倒塌的建筑物內；二是將機器人縮小到厘米或毫米尺寸，應用于醫學人體檢查、治療等方面。

4.2 抓取作業

軟體機器人在執行抓取作業時因其自身的柔軟性而能改變自身形態，對一些易碎品和不規則物體進行抓取時，采取包裹形式的抓取，不會損壞物體。夾具類型包括指狀致動器夾取、彎曲卷繞和懸掛吊起等多種方式。美國的Soft Robotics公司制作的mGrip[50]是一種全新的機器人夾具，采用兩個或者多個指狀致動器抓取物體，如圖14所示。該夾具具有自適應性、可重復性、可靠性、即插即用等特點，已大量用于食品(如面包、餅干等輕量化食品)加工。Glick等[51]設計的指狀軟夾具，通過在其表面加入一種微米大小的楔形圖案來增強其夾持力。Zhu等[52]提出的夾具包含兩個相同的柔軟指狀物，每個指狀物包括氣動致動器和集成層干擾單元；可以在低剛度下自由變形并且在高加速度期間保持其在高剛度下的抓握穩健性。

   

圖14 mGrip[50]
Fig.14 mGrip

Jiang等[53- 54]設計了一款基于蜂巢氣動網絡的機械臂，如圖15所示，主體采用彈性體框架，每個巢中都有獨立的氣動裝置，充氣膨脹帶動機器人運動；并進行了軟體臂彎曲卷繞物體的抓取測試。Uppalapati等[55]開發了用來采摘漿果的新農業機器人，研究了一種螺旋結構的氣動驅動，通過在物體周圍螺旋旋轉的夾持器所獲得的夾持動作，可以幫助處理長、細和不規則形狀的物體。Pedro等[56]創造了一個封閉結構的軟機器人夾具，當致動器施加正氣壓時，腔的內表面膨脹，將物體保持在其內部并吊起物體完成抓取，如圖16所示。

   

圖15 基于蜂巢氣動網絡的軟機械臂[53]

Fig.15 Soft manipulator based on honeycomb pneumatic networks

   

圖16 封閉結構的軟機器人夾具[56]
Fig.16 Closed structure soft robot gripper

5 傳感與控制

5.1 傳感

軟體機器人的柔軟和高度的形狀適應性，增加了建模和感知的難度，難以實現精準控制。普通商用柔性傳感器的彈性模量一般大于硅膠材料的彈性模量，且型號和形狀固定，對軟體機器人的運動會產生影響。當前學者們致力于開發柔性電子器件和人造皮膚等，以提高柔性傳感技術，在材料和加工工藝上有了新的進展。例如Park等[57]使用一種嵌入式液體導體制作具有高柔軟和可以拉伸的多模態感應能力的人造皮膚，將具有嵌入微通道的3個超彈性硅橡膠層堆疊并粘合，填充有E-GaIn液態導體的微通道通過按壓或拉伸而變形時，微通道的電阻由于其減小的橫截面積和增加的通道長度而增加，從而可以檢測壓力、應變、彎曲的改變。

Araromi等[58- 59]在研究可穿戴機器人的過程中開發了新型柔性壓力傳感器：2016年提出了使用薄膜涂層生產具有各向異性和導電性的可拉伸導體來制造新型柔性壓力傳感器，利用向薄膜表面施加垂直壓力時，會導致面內電阻顯著降低的效應來構建一個靈活的壓力開關，實驗表明該開關可以承受高于5 kPa的壓力變化，證明了這些各向異性導電復合材料在開發用于自主軟體機器人系統或可穿戴壓力響應裝置的高響應性和柔性壓力傳感器方面有巨大的潛力；2017年提出了一種靈活的電容式壓力傳感器(該傳感器由導電性織物和微結構硅樹脂介電層制成)，利用傳感器介電層的厚度變化會導致傳感器電容的改變這一原理來檢測壓力的變化，將傳感器集成到紡織手套中，展示了軟壓力傳感器在檢測抓力方面的應用。

除了有檢測壓力變化的傳感器外，還有檢測彎曲角度的傳感器。通過確定電感變化與彎曲角度之間的關系，Prituja等[60]提出了一種基于電磁感應原理的新型軟電感螺線管彎曲傳感器，其檢測原理是：當傳感器受到外界壓力時，其內部電磁場發生變化，根據電磁感應變化率可以確定彎曲量。聚氨酯彎曲傳感器[61]通過測量聚氨酯材料變形時泄漏的光量變化來估計聚氨酯的彎曲角度，其檢測原理是：當聚氨酯不彎曲時，光照全部通過聚氨酯的內部；當聚氨酯發生彎曲時，一些光會從聚氨酯中漏出，從而導致材料內光量的減少，測量光量的減少就可以測量聚氨酯的彎曲。

另外，還有檢測三維運動的方案。Scimeca等[62]為了解決軟體機器人感知的問題，提出了一種無模型的方法，將電容式觸覺傳感器陣列安裝在軟體手指的根部，通過視覺跟蹤系統學習觸覺傳感器響應和指尖空間位置之間的關系，當手指彎曲時，就可以由觸覺傳感器的表面壓力變化得到指尖的空間位置。在三維電磁跟蹤系統[63]中，磁場發生器產生電磁場，安裝在軟執行器兩端的磁感應傳感器，感應執行器的位置和方向信息并反饋給信號放大器。Xu等[64]以硅樹脂為基礎，研制了一種新型生物相容性導電液體應變力傳感器，展示了傳感器作為可穿戴設備檢測人類手部運動的能力。與使用不可伸展性的商業傳感器[65]相比，新型柔性傳感器具有高延展性，能夠更好地適應軟體機器人高度柔順的姿態。目前的柔性傳感技術雖然取得了一些突破，但尚處在初步研究階段，未實現商業化，開發低成本、高精度電子傳感設備仍是一個難題。

5.2 建模和控制

與傳統剛性機器人有本質區別的是，這些高自由度機器人的設計、分析和控制還沒有一個統一的框架。特別是軟體機器人的建模和控制一直是一個難以攻克的問題，目前軟體機器人的建模還是采用連續剛形體方程。最簡單和最常用的運動模型是假設三維連續體的構型空間可以由3個參數表征，通常稱為常曲率(CC)近似[66]。由于一個具有常曲率圓弧覆蓋的平面連續體機器人，其每一小節的曲率都近似恒定，因此，CC模型只有在穩態條件下才真正有效。對于多段連續體或軟機械臂，將每個CC段接合在一起，就可以得到分段常曲率(PCC)模型[67]，是軟體機械臂常用的建模方法。Trivedi等[68]利用梁理論和Cosserat桿理論，提出了一種更為復雜的梁理論建模方法。Martín等[69]提出了一種基于循環坐標下降(CCD)的自然-CCD算法，用于求解超冗余柔性機器人的逆運動學問題。Renda等[70]基于連續Cosserat模型的離散化，提出了一種新的用于多分段軟機械手動力學的分段恒定應變模型，開發了兩種有效的遞歸算法，獲得了較好的模型精度，大大縮短了計算時間。Hyatt等[71]提出了一種確定軟體機器人手臂近似運動學模型的方法(即任務空間控制方法)，該方法能夠精確定位大型軟體機器人操縱器的末端執行器，在移動軟體機器人手臂的同時收集數據，并連接到軟體機器人的姿勢測量系統。以上建模方法在實際運用中都存在較大的局限性和建模誤差；動力學方程過于復雜，較難運用于實際控制任務中。

除了改進建模方法外，學者們也對控制方法包括視覺反饋、閉環控制等進行了探索。Zollo等[72]通過神經反饋實現了閉環控制功能，引發的觸覺響應使得軟體機器人能夠成功實現越來越復雜的抓握和操縱任務。Wang等[73]利用視覺伺服控制軟體機械臂定位目標物體。Mustaza等[74]采用拉格朗日方法推導出機械手的運動方程，實施基于材料模型的閉環軌跡控制，進一步驗證了衍生模型的可行性并提高了整個系統的性能。

柔性機器人動力學控制的無模型方法仍是一個相對未知的領域，機器學習技術在連續機器人控制中的最早應用是為了補償動態不確定性。目前，一種基于機器學習的軟體機器人動力學模型開發方法和任務空間機械手預測控制的軌跡優化方法[75]，第一次在軟機械手上進行模擬，這種方法有望為軟體機器人操縱器開發快速準確的動態模型，同時適用于各種軟機械手。Thuruthel等[76]利用軌跡優化和監督學習方法，提出了一種基于模型的增強學習方法，該方法應用在軟體機器人的閉環動態控制中，可以直接學習閉環控制策略，而不需要分析模型，但該方法沒有分析機械手設計與動力學之間的關系，很難確定建模誤差的來源或開發最佳設計策略。之后Thuruthel等[77]又提出了一種基于嵌入式軟傳感器和遞歸神經網絡的柔性執行器實時感知的非模型方法，可用于執行器無模型的實時多模態傳感。該方法具有高度通用性，能夠交換傳感器信息、感應模式和系統本身，而無需對學習算法進行任何更改，但此方法目前依賴于獨立的外部傳感技術提供參考反饋，在不同的結構中傳感器需重新布置。

對于軟體機器人的動力學控制，依然是一個難以解決的問題，通過對目前軟體機器人控制方法的研究可以看出，由于缺乏更好的分析模型，非模型方法顯示出良好的控制效果，因此將機器學習應用于從執行器空間到任務空間的動態映射學習，是一種可行的研究方法。

6 總結與展望

機器人是社會技術變革的基礎，而軟體機器人將成為這種變革的一部分。在過去的幾年里，軟體機器人領域取得了許多令人興奮的進展。傳感和驅動方面的新方法，新材料及其結構，以及現有制造技術的顯著改進，已經產生了功能強大的軟設備和軟體機器人。其驅動方式主要有氣體驅動、智能材料驅動、化學反應驅動等，化學反應驅動和新材料的興起，讓化學有機會在其發展中發揮重要的作用。隨著人類向實用性、不受約束性的系統邁進，在靈敏度、強度和效率方面的改進變得越來越重要。同時，對軟體機器人的高效制造和精確控制是未來發展的方向。在不久的將來，該領域的進步將開始產生新的消費，在醫療和工業技術等領域，將對人類如何與機器和電子設備互動產生革命性的影響。這些進步將需要在柔軟的多功能材料方面不斷取得進展，以及在仿生研究、建模、控制和用于軟體機器人自主學習的機器智能方面取得突破。

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Research Development of Soft Robots

WANG Haitao PENG Xifeng LIN Benmo

(Naval Architecture and Ocean Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，Liaoning，China)

Abstract: Soft robots are made of soft materials and can be freely changed in size. Compared with rigid robots, soft robots own merits such as high flexibility,adaptability and safely human-machine interactivity.They have been favored by researchers at home and abroad for their broad application prospects in the fields of industry,agriculture,medical care, disaster relief,etc. The materials，production methods，drive methods，application fields，sen-sing and control methods of soft robots were reviewed. The new development in soft robots materials and production methods were introduced. According to drive methods,soft robots were divided into fluid-driven robots,intelligent material-driven robots，and chemical reaction-driven robots.In addition, their characteristics and typical structure were summarized. The modeling method and control strategy of the soft robots were introduced and analyzed. It concludes that developing variable stiffness materials,efficient manufacturing and precise control methods is a promising direction of soft robot research.

Key words:soft robot; actuation; bionics; senor and control; soft materials；research development

收稿日期: 2019- 10- 08

基金項目: 國家重點研發計劃項目(2017YFC0806704)；大連海事大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(3132019352)

Foundation item:Supported by the National Key Research and Development Program of China(2017YFC0806704)

作者簡介: 王海濤(1973-)，男，教授，主要從事流體傳動與控制和機電一體化研究。E-mail：wanght@dlmu.edu.cn

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.190685

中圖分類號： TP 24

文章編號: 1000- 565X(2020)02- 0094- 13