仿生智能軟體機器人的案例
天津大學封偉教授課題組《Matter》：4D打印仿生觸覺應變自主軟體機器人
軟體機器人能夠適應不同的非結構化環境，實現與人類更安全地交互。目前，軟機器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導致生產困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復雜的驅動性能，更不用提賦予機器人感知能力或智能性了。相比之下，3D打印（增材制造技術）可以基于數字模型自動準確地將設計思想轉化為復雜零件，從而顯著提高生產效率和制造靈活性。因此，3D打印是制造軟體機器人的最佳選擇之一，因為它可以實現智能材料的精確加工，也就是4D打印技術。4D打印可以將智能材料加工成具有各種刺激響應行為的動態結構。除了簡單的變形外，具有感知能力和適應性的4D打印智能軟體機器人更具吸引力，也就是通常說的人工智能（AI, Artificial Intelligence）。而通過4D打印直接獲得智能軟體機器人仍然是一個巨大的挑戰。
示意圖
近日，天津大學材料學院封偉教授團隊報道了一種具備自主行動能力和觸覺應變的4D打印軟體機器人，該機器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動能力，無需任何其他后續加工程序。機器人的滾動穩定有力，而速度和方向可通過改變形狀和尺寸進行調整。如圖1所示，當放置于160℃的熱臺上時，打印的矩形樣品變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動開始滾動。調整樣品的大小可以改變機器人的滾動速度。而滾動的方向由螺旋管的曲率方向控制，可以輕松改變。
圖1. 4D打印軟體機器人自主變形及滾動過程。
圖2. 機器人自主滾動及爬坡過程。
展開 工程師打造出一種新型軟體機器人：可從路面機器人變為無人機
大多數機器人都是為某一特定工作而設計的，且適應性不強。但弗吉尼亞理工大學的工程師們現在已經開發出一種軟體機器人，它可以變形為一系列的形狀，如駕駛、飛行或游泳機器人，而這要歸功于充滿一種金屬的橡膠表皮，它可以在液體和固體形式之間輕松轉換。
為了打造一個擁有如此多功能的機器人，研究人員首先設計了一種材料，它可以根據需要改變其形狀，根據需要保持該形狀很長時間然后再恢復到原來的配置，另外還可以多次這樣做。這種材料是由一個彈性內骨骼組成，其被切割成三角形的剪紙圖案。在這種材料內部則是一個含有低熔點金屬合金的管網以及一組卷須狀的加熱器。該結構可跟致動器、電機和其他部件相結合，然后用于運動和改變形狀。
據了解，機器人一開始是平的，里面的金屬為液體形式。它可以被彎曲和拉伸成機器人所需的形狀，在這一點上，金屬會硬化成固體并保持該形狀。在完成任何任務后則可以打開加熱器，將金屬加熱到60°C，然后使其熔化并使機器人恢復到原來的形狀。在那里，它會準備好被重新塑造成它接下來需要做的任何事情。它可以在不到十分之一秒的時間內變形并固定形狀。
在測試中，該團隊使用這種材料創造了一個可以沿地面行駛的機器人，然后變形為一個飛行無人機。從本質上講，它是一個扁平的板材，在飛行配置中帶有朝上的螺旋槳，而在其駕駛形式中，它類似于一個彎曲的玉米餅形狀，車輪則接觸地面。
另一個測試模型將這種材料作為潛水艇的基礎，它可以潛入水族館底部，然后舀起彈珠并將它們帶到水面。
這項研究的論文共同作者Edward J. Barron III說道：“我們對這種材料為多功能機器人帶來的機會感到興奮。這些復合材料足夠強大，可以承受來自馬達或推進系統的力量，但又可以輕易地變形，這使得機器可以適應它們的環境?！?/span>
展開 軟體機器人研究進展
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。
展開 軟體機器人超彈性材料本構賦予的兩種實現方式 ￥29.99
引言：超彈性材料是軟體機器人實現 “大變形、高回復、低剛度” 核心性能的關鍵載體，其力學行為需通過精準的本構模型描述。在 Abaqus 仿真環境中，針對軟體機器人的超彈性材料本構，主要存在兩種主流賦予方式：一是直接調用內置的Mooney-Rivlin 應變勢能模型，適用于常規彈性體（如硅橡膠）的快速仿真；二是通過UHYPER.for 用戶子程序自定義應變勢能，適配新型超彈性材料（如梯度彈性體、仿生彈性體）的特殊力學行為。本文將圍繞這兩種方式，結合 Abaqus 仿真全流程（建模、參數設置、分析步、相互作用等），詳細闡述實現邏輯、操作要點及結果對比，為軟體機器人的超彈性仿真提供可復現的技術方案。
1、 計算結果與分析
兩種超彈性本構方式的仿真結果需從 “精度、效率、適用性” 三個維度對比，核心差異如下：
（1） 力學響應精度
Mooney-Rivlin 模型（1 階）：因模型未考慮高階非線性項，易出現 “應力預測偏低” 問題，誤差可升至 15% 以上。
UHYPER.for 子程序：通過自定義高階應變勢能函數（如 Ogden 模型、Yeoh 模型），可覆蓋小至大變形全范圍，與實驗數據誤差穩定在 3% 以內，尤其適合軟體機器人扭轉、彎曲等大變形工況。
（2） 計算效率
Mooney-Rivlin 模型：無需編譯子程序，計算迭代次數少。
UHYPER.for 子程序：需先通過 Fortran 編譯器（如 Intel Fortran Compiler）編譯子程序，且自定義函數的導數計算會增加迭代復雜度。
（3） 收斂性表現
Mooney-Rivlin 模型：因本構關系簡單，在幾何非線性打開、增量步合理設置的前提下，收斂率可達 95% 以上，極少出現 “迭代終止” 問題。
展開 
【科技前沿】打印出行走的軟體機器人
為了證明MM3D打印對打印對象的組成、結構及特性的空間編程能力，文章列舉了打印折紙機構以及氣動行走機器人的兩個例子。
圖4 MM3D打印折紙
圖5 打印行走軟體機器人
展望未來，這種集成化的多材料打印噴頭將實現體素化功能性結構的快速打印，此外在打印分辨率和打印效率方面，定制化的打印墨水和打印結構的功能化同樣具有重要的研究和應用價值。
來源：《Nature》
視頻翻譯：紀錄片之家
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西班牙生物3D打印肌肉組織，用于開發軟體機器人！
最近西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所的智能納米生物設備團隊又錦上添花，3D打印出用于軟體機器人的肌肉組織。
生物學軟體機器人是一門新的學科，它能改善傳統機器人的靈活性、反應能力和適應性等等。深入研究生物3D打印，有利于制造出更有用的產品，因為3D打印在速度、設計、形狀、材料定制和可擴展性等方面都有一定的優勢。
在研發過程中，研究人員使用了高度對齊的肌管構成的3D打印生物執行器，其中，肌管指的是骨骼肌的多核纖維。肌肉在某柱形裝置處打印，同時由該柱形裝置測量肌肉功能，分析基因表達，以評估肌肉對運動的反應。“肌肉運動具有一定的功能性和敏感性，產生的力量可以按需調整。
事實證明，這種生物系統可以用于機器人設備，使機器人的性能更加接近真實的生物性能，從而顯著提高整體的應用效果。相關工作人員表示。 “也許這是開發能夠抓握或行走的軟體機器人的關鍵。”
（來源：三迪時空）
展開 ：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
該研究成果對于認識界面接觸力學與潤滑行為之間的相關關系具有重要科學意義，相關材料在智能運動設備和軟機器人領域展現出了重要潛在應用。
以上研究工作得到了中科院先導B培育項目、國家自然科學基金重點項目、中科院青促會人才項目、蘭州化物所“十四五”規劃重點培育項目等的支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28038-9
軟體機器人抓手可以處理容易受傷的海洋生物
正是考慮到這一點，哈佛大學領導的團隊最近開發了一種具有柔軟觸感的水下機器人抓手。
該裝置基于以前的研究，設計用于與遠程操作水下航行器配合使用，該航行器由船上的操作員實時控制。抓手已經以各種形式進行了試驗，其配備兩到五個柔軟的聚氨酯“手指”。這些“手指”在面對目標物體時可以使用低壓液壓系統打開和關閉 - 例如小而脆弱的動物 - 將海水泵入和排出。所有的“手指”都固定在一個中央木球上，而木球則由遠程操作水下航行器現有的鋼制鉗子固定。
由于“手指”是3D打印的，因此可以根據需要在遠程定位的研究船上制造專為特殊任務設計的新“手指”。該技術最近在南太平洋菲尼克斯群島的一次探險中進行了測試。在那里，不同版本的遠程操作水下航行器安裝式抓手用于無害地拾取和檢查生物，包括海參、珊瑚和海綿動物，深度達2224米。
根據操作員的反饋，科學家們3D打印并在“手指”上添加了額外的功能 - 這些包括楔形柔軟的“指甲”，使“手指”更容易在物體下方滑動，同時還有沿著側面邊緣的延伸部分?！笆种浮毙纬闪俗柚箘游镌谒鼈冎g滑動的障礙。
“當與容易受傷的水下生物相互作用時，最適合的采樣設備也最好是柔軟的，”該研究論文的共同作者Rob Wood博士表示?！爸钡阶罱?，軟體機器人技術領域才進一步發展，使我們能夠真正建造能可靠無害地抓住這些動物的機器人?！?/span>
展開 德國科學家研發軟體機器人，通過磁場就可控制其行動
提起機器人，大家的腦子里大都浮現的是硬體機器人，而隨著科學技術的發展，機器人不僅僅只有硬體的，軟體的機器人已經有很多了，而且其用途非但不比硬體機器人差，還可能比硬體機器人有更多用途。近日，德國馬普研究所研制出一種用磁場控制的軟體機器人，其在磁場操縱下，它能爬行、打滾、跳躍，能迅速收縮以抓住滾過的小球。
據悉，這款機器人的主體材料為硅膠，內嵌具有磁性的汝鐵硼微顆粒。其還具有多自由度和連續變換的能力，可在大范圍內任意改變自己身形和尺寸。因為主動變形與被動變形能力的結合，機器人可以擠過比自身常態尺寸小的縫隙，進入傳統機器人無法進入的空間。
試想一下，如果讓“軟軟的機器人”為病人做手術是一種怎樣的感受呢？如今，在超微創手術領域，軟體機器人（又稱柔軟機器人）已經開始發揮自己的作用了。
其實，相比于硬體機器人，軟體機器人更加讓人容易接近，我想這就是軟體機器人可能會發展的更好的原因，軟體機器人多樣的功能給人們帶來了更多的便利，而其易操作的性能更是讓人覺得便利十足，看來軟體機器人的發展前景確實是很好的。
展開 Adams仿生四足機器人
Adams仿生四足機器人建模相對簡單，其結果如下圖所示。
adams仿生四足機器人建模難點主要有兩點：
1.
各個關節處的驅動如何獲取
2.
四足與地面的接觸如何設置
1.要想獲取各個關節點的驅動，首先我們需要對四足機器人進行運動學分析。
機器人的運動學分析可以分為正、逆運動學分析。正運動學簡單來說就是已經關節驅動函數，求機器人位姿，逆運動學則相反。這一步通常在MATLAB里面求解。
四足機器人的步態有動靜步態兩種。靜態步態首先要滿足靜力學的條件，行走時單腿離地，其余三條腿支撐，機器人的重心始終位于其余三條腿所構成的三角區域內，動態步態則相反，機器人的重心始終位于其余三條腿所構成的三角區域外。
2.接觸設置如下，其具體參數可參考相關文獻，注意設置摩擦系數。
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展開 鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）-仿生機器人-手
鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
財哥將以往設計的一些應用案例公開分享給大家，方便大家一起學習和參考。希望大家能夠在自己的領域獲得一定的啟發和收獲。
仿生機器人
一、手的案例
1、結構設計
驅動介紹：
可以實現任意手指的萬向運動，完全模仿人手的靈活性，接觸力柔和可控，碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動原理：以鈦絲相變實現 “收縮 - 恢復”，連續柔順，可模擬肌肉蠕動 / 彎曲帶動手關節彎曲和伸展。
2、實物形態
覆膜一副硅膠仿真手套，就可以實現功能、外觀的仿生效果了。
3、驅動電路設計和控制
驅動原理：每個手指配置4線鈦絲驅動即可完全模仿人手的靈活性，共計20線，可以采用4*5或2*10路的矩陣掃描驅動方案，具體設計原理可以翻看財哥前面的驅動電路設計文章。
4、技術特點
材料本征驅動
通電加熱引發馬氏體→奧氏體相變，實現3%–5% 可控應變的直接收縮，無需中間傳動，從原理上簡化動力鏈。
無磨損驅動與超彈性
可承受百萬次循環無損傷，超彈特性在碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動與感知一體化
電阻隨相變過程實時變化，可直接作為內置位置 / 力傳感器，減少外部傳感配置，降低系統復雜度。
多單元協同易擴展
鈦絲可陣列化、串并聯組合，實現 “分布式肌肉驅動”，精準復現生物肢體的多自由度協同運動。
（本案例來源：深圳市鈦絲科技有限公司，如有侵權請聯系財哥刪除）
作者 財哥說鈦絲
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《Science Advances》：全3D打印軟體機器人取得重要突破！
Sochol等研究者，介紹了一種通過PolyJet三維(3D)打印在單個打印運行中，由完全集成的射流電路組成的增材制造統一軟體機器人的策略。
相關論文以題為“Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry”發表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257
在過去的十年里，軟體機器人領域已經確立了自己的地位，因為它特別適合使用傳統的、剛性的機器人很難或不可能實現的應用。依賴于由射流手段(如液壓和/或氣動)驅動的柔順材料，給軟體機器人帶來了一些固有利益，特別是在人機交互的安全性、低成本和在操作復雜和/或精密物體的結構適應性方面。然而，目前軟體機器人應用的一個關鍵障礙是，要求增加獨立操作的軟體執行器(或自由度)的數量，通常要求相等或更多的不同控制輸入。為了減少或消除這種外部控制方案的需要，研究人員已經研究了一系列通過射流邏輯增強軟體機器人自主性的方法。
與人工將獨立的射流電路連接到軟體機器人上的研究相反，人們對將這些功能直接嵌入軟體機器人系統的能力越來越感興趣。特別值得注意的是Wehner等人報道的一種混合策略，即，使用基于無塵室的多層軟光刻協議來制造微流控振蕩器，然后利用各種制造技術，如計算機數控加工、多材料鑄造、嵌入式犧牲式直接墨水書寫、熱固化/疏散過程，激光切割，最終實現一個可以周期性驅動的不受束縛的軟“章魚機器人”。然而，由于依賴于基于軟光刻的射流電路，這種制造方法尚未在軟體機器人領域得到廣泛采用。
展開 多倫多大學劉新宇教授團隊《AFM》：新型抗極寒粘貼離子導電水凝膠仿生皮膚助力可穿戴傳感和軟體機械人
通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備，并在可穿戴電子，可穿戴康復機械人和軟體機器人等領域展現了巨大的應用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機器人之間優異的機械性能匹配和功能互補，目前已有大量研究精力投入到開發適合集成到軟體機器人的可拉伸和可穿戴仿生電子皮膚，從而確保更安全，更智能的人機互動和環境適應性。
在這些傳感材料中，以離子水凝膠為代表的軟材料，由于其優異的生物兼容性，更加接近生物組織的機械和電學特性，近年來收到了大量關注。然而，目前離子水凝膠在低溫環境容易結冰而失去變形能力和導電性；同時，傳統離子水凝膠通常不具備良好的表面粘附能力， 從而影響其在可穿戴和軟體機械人等大變形應用場景中的使用；此外，傳統離子水凝膠在環境中易失水的問題也亟待解決。
圖1. 高拉伸，抗凍，環境穩定，強粘附仿生水凝膠離子皮膚（iSkin）的設計思路
基于上述問題，日前，多倫多大學機械工程系劉新宇教授團隊聯合麥吉爾大學機械工程系助理教授李劍宇團隊，研發了一款高拉伸性、強抗凍性、環境穩定性和強表面粘附性的離子凝膠仿生皮膚 （iSkin），成果以《An Antifreezing, Ambient-Stable and Highly Stretchable Ionic Skin with Strong Surface Adhesion for Wearable Sensing and Soft Robotics》為題發表在材料領域知名期刊Advanced Functional Materials上。
展開 東華大學游正偉教授團隊AFM：自愈合彈性體構筑可任意重構的軟體機器人
基于智能軟材料的軟體機器人具有和傳統電機驅動的機器人類似的感知外界刺激，產生相應的驅動行為的能力，同時具有和生命體更加匹配的力學性能，更友好的人機交互界面，預期能更好地模擬自然界的各自生物運動模式，近年來受到了廣泛的關注。隨著其深入發展，人們提出了越來越高的期望，比如能夠實現軟體機器人驅動行為的按需重構是一個重要的發展方向。從材料角度，具有異質結構的驅動器是實現驅動的關鍵，異質結構往往通過化學交聯的方式來固定，一旦形成，很難改變，這導致軟體驅動器的驅動行為較為單一，且難以根據實際需求進行重新編輯。近年來，科研人員們利用一定刺激下的可逆反應初步實現了驅動器的異質結構的重構，使同一軟體機器人能夠展現多模式驅動行為。但目前報道的重構過程通常需要高溫加工、圖案化光場、化學處理、精密設備等復雜操作，實際應用受到了限制。如何在溫和條件下實現軟體驅動器和機器人的便捷重構仍是一項挑戰。
針對這一問題，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室游正偉教授團隊采用模塊化的思想提出了宏觀任意愈合組裝 (Macroscopically discretionary healing-assembly)策略，利用材料自愈合性，實現了軟體驅動器和機器人的便捷高效重構。相關成果以“A New Strategy of Discretionarily Reconfigurable Actuators Based on Self-Healing Elastomers for Diverse Soft Robots”為題，發表于材料學領域國際著名學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。
展開 智能機器人的出現，開辟了機器人全新的應用領域
大多數機器人是聾、啞、瞎和不動的，所以，使用這些機器人和自動化機器并無多大差別。
智能機器人的出現，開辟了機器人全新的應用領域。智能機器人是裝備有某些傳（遞）感（覺）裝置，能感知環境變化并作出反應的機器人。
機器人學方面的研究表明，賦予機器人以有視覺的“眼睛”和有觸覺的“手指”是完全可以辦到的。人工智能是機器人特有的能力，它包括對環境的變化作出反應、適應、理解和決定。
例如，在現場使用機器人最重要的問題就是安全，如果一個機器人裝備了傳感裝置就能夠探測到人的存在，當它探測到工作區內有人時，將由程序控制自動停止操作。
已經成功應用的機器人具有“看”、“聽”和“感覺”的能力。傳感器的發展以及近年來機器人移動技術的發明，已促使機器人走出工廠，走進桔子園、養牛場或醫院等各種不同的環境。
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