軟體機器人的案例
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 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
雙層驅動器的室溫愈合性
以上述的異質雙層驅動器和原有同質聚肟氨酯為模塊，通過對模塊的數量、形狀和排列的簡單組合，作者構建了一系列傳統的制造方法難以制備的具有不同3D驅動行為的軟體機器人（圖5）。
圖5. 模塊化愈合組裝策略構建驅動行為各異的軟體機器人
接著作者展現了使用宏觀任意裁剪愈合組裝策略來實現軟體機器人的重構（圖6）。首先從一個長條狀的驅動器出發，調整模塊的組合方式，使該驅動器能夠展現C形、S形、波浪形三種不同的驅動模式。然后以人形軟體機器人為例，通過改變“手臂”、“身體”和“腿”模塊的排列，其在同一溶劑刺激下的驅動變形能夠在跪姿、擁抱和瑜伽坐角式三種姿勢中相互切換。除了改變驅動行為，該策略還能夠賦予驅動器一些特定功能，比如作者將僅發生簡單彎曲變形的長條狀驅動器重構成一個四臂式機器人，在溶劑刺激下該機器人能夠舉起自重1.5倍的鋁板。該策略中對驅動器的拆解及模塊的再組裝過程簡便靈活，從理論上講，可以實現無限重構，通過合理的設計，有望構建出多模式、多功能的軟體機器人。
圖6. 軟體驅動器和機器人的室溫便捷靈活重構
該工作基于材料自愈合性，提出了一種宏觀任意愈合組裝策略，通過簡單模塊的拆解組裝愈合在室溫下實現軟體機器人的靈活的構筑和重構，整個過程無需其他刺激和特別設備，室溫下可反復多次進行，展現了前所未有的便捷性。基于材料的本征自愈合性實現軟體機器人重構的思路，此前未見報道，該策略可以拓展到磅礴興起的其它自愈合材料，為新一代軟體機器人的設計和制造提供新的思路，同時也擴寬了自愈合材料的應用范圍。
展開 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 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 
繼打印細胞和器官之后，3D打印探索制造軟體機器人
深海里的軟體生物一直都是神秘而暗黑的存在，像章魚和烏賊這樣的頭足類動物更是機器人世界的靈感來源。
The U.S. Army Research Laboratory與明尼蘇達大學合作，對軟體機器人進行探究。該研究小組近期發表了一份研究報告：面對龐大的障礙時，無脊椎機器人擁有天然的優勢，可以擠進或繞開障礙物。因此該研究小組展開了對軟體機器人的制造。
與2016年12月問世的全球首個全軟體機器人 Octobot不同，Octobot是一個彰顯極簡主義的機器人設計，目的在于向外界展示這樣的軟體機器人是可以成為現實的。而此次的軟體機器人一旦制成將投入軍方使用。
ARL的研究員Ed Habtour在一份研究報告中表示:“軟體機器人必須擁有高度的結構靈活性和分配控制，才能潛移默化地進入受限的空間內。需要長時間對其進行操作指控，來模擬生物的形態、培養機器人對環境適應性。”在完成形態的塑造之后，軟體機器人依舊需要時間來復雜的外部環境。
除了躲避障礙物外，在抓持和操作未知物體方面，軟體系統有著天然優勢。通過培育對環境的適應性，軟性機器人的抓取器可以改變本身的形態抓取各種目標物體；此外，在醫療領域，軟體機器人可以通過與人體的交互運動，來幫助病人進行康復。
研究的重要突破口是新一代3D打印技術的提升。制造Octobot時使用的3D打印技術是為了讓Octobot完成密封定型；其他的所有部分都需要手動制作完成。而此次的軟體機器人所需的配置都可以由3D打印技術完成。
3D打印技術最初是應用于模具制造、工業設計等領域，后逐漸用于一些產品的直接制造。在制造業中，建筑、汽車，航空航天等早已應用；而后在食品、服裝、醫療、生物等也均有發展，如點心、鞋子、假肢、器官、細胞等都已經實現了3D打印。
展開 《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 天津大學4D打印軟體機器人：打印出來即可無約束的滾動
2021年10月9日，南極熊從天津大學獲悉，天大封偉教授團隊制造一個智能的、對觸覺敏感的4D打印軟體機器人。這個基于液晶彈性體的機器人，當加熱到160℃以上后變形為管狀，可以實現無約束的自由滾動。該研究成果在《細胞》出版社旗下頂尖期刊《物質》發表。
△滾動中的4D打印機器人
“軟體機器人能夠適應復雜環境，實現與人類更安全地交互。” 封偉教授介紹，3D打印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，為軟體機器人制造增加“時間”維度——即4D打印。
△打印原理
將智能材料加工成具有對熱刺激響應行為的動態結構。團隊在此基礎上通過4D打印對液晶彈性體智能材料進行精確加工，直接獲得了具有感知能力和適應性的智能軟體機器人。
△機器人能夠滾動爬坡
在這項研究中，封偉教授團隊利用4D打印技術制造了一個管狀體，曲率為機器人提供了可持續的定向滾動能力。一個10厘米長的機器人在水平面上可以達到超過48厘米/分鐘的最大速度，并爬上大約20°的坡度。較長的管狀物滾動速度更快，穩定性更好，這確保了機器人對復雜地形的適應性。
該管狀自主軟體機器人通過對熱的感知，可以自主改變自身形狀進而調整運動速度和方向。自主控制滾動方向的特性使得這種軟體機器人有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，讓它能夠探測前方道路上的障礙物，根據障礙物的高低實現翻越或折返。
“當樣品機器人以一定角度放置在傾斜的加熱板上時，樣品依然可以向上自主滾動。” 封偉教授說，“這種自主軟體機器人的整個驅動過程是自動的，無需改變環境因素，機器人就能夠在脫離人工控制的情況下完成任務。”
鑒于材料和結構的靈活性，機器人的觸覺感應能力與昆蟲的觸角相似。
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 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 毫米級軟體機器人問世，可在沒有任何物理干預情況下游走于人體
日前，英國著名期刊《Nature》上發布了一款由德國馬普智能系統研究所研制的磁控軟體機器人，能夠進行不同形式的運動。
這是一段長3.7毫米、寬1.5毫米、厚185微米的長方體機器人。別小看這個外表上看起來黑乎乎的小方片，它能在磁場的控制下，像軟體動物一樣完成各種指定動作。比如在水下或水面游泳、卷成圓圈滾動、跳過障礙物、在細管中爬行，靈活切換各種運動形式等等。
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，顆粒的平均直徑為5微米。機器人表面是防水的，也可以被處理成生物相容材料。機器人事先被設定成單波長諧波磁剖面，可以在隨時間變化的磁場控制下改變自身的形態，并能根據地形的不同產生不同的運動模式。
由于這款機器人具有可控性，所以它能在人類的控制下完成裝貨、運貨和卸貨的操作，未來可以應用于人類人靶向藥物的運輸。
這款機器人能夠適用于不同地形表現在很多方面，比如在通過狹小空間時，它能像毛毛蟲一樣產生波形震動，爬進去。
在水中通過在C形和V形之間變換姿態，像水母一樣學會游泳。靠近岸邊時機器人可以保持C形旋轉滾離水面。值得一提的是，其滾動的表現也是在學毛毛蟲躲避捕食者時的動作。
此外遇到比較高的障礙物時，還可以選擇跳躍的方式。總之為了顯示該軟體機器人在各種不規則環境中的工作能力，研究人員讓機器人開啟了多種運動模式探索水陸雙棲場景和人類胃部模型，并額外完成了抓取物體、定向轉移的任務。
有意思的是，小編在查閱這款軟體機器人的相關資料時，還意外的收獲了馬普智能系統研究所制作這款軟體機器人的大致過程。怎么說呢這個過程像極了很多女生在調制一款粉末面膜時的動作。
展開 多倫多大學劉新宇教授團隊《iScience》綜述：類皮膚水凝膠及其在可穿戴傳感，軟體機器人以及能量收集等方面的應用
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. 而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，目前吸引了大量研究精力投入其中，以便將其開發并集成到可穿戴傳感，軟體機器人等應用中，從而確保更安全，更智能的人機互動。
日前，多倫多大學劉新宇教授團隊在 Cell Press 子刊 iScience上 總結并討論了類皮膚水凝膠的研究進展。文章首先總結了目前水凝膠的增韌方法及原理，增加離子導電性的方法。文章隨后描述了目前提高水凝膠鎖水，抗凍和粘貼的若干策略。應用方面，文章主要介紹了目前離子水凝膠在可穿戴物理和化學傳感，軟體機器人柔性電極及可拉伸傳感，和柔性自發電能量收集等方面的進展。最后，作者討論了離子水凝膠存在的挑戰和機遇， 包括多模態傳感，新型加工制備方案，結合大數據和水凝膠離子計算的下一代智能，以及可拉伸的儲能設備。
圖1 人體皮膚示意圖及類皮膚水凝膠目前的進展和應用總結
圖2 雙網絡水凝膠的代表結構和他們的合成策略。
展開 
哈佛大學和波士頓大學合作打造新型軟體機器蜘蛛
由哈佛大學和波士頓大學工程師組成的一個研究團隊已經借助一種全新的制造技術創造出了一種高度靈活機動的微型軟體機器人。
這個過程簡稱MORPH(氣壓/液壓重構的微流體折疊)，它借助軟印刷技術首先用硅膠打造出機器人的外形，然后使用激光精細加工技術在機器人身上蝕刻出微型通道。其中一些通道隨后借助一項注射誘導自折疊技術進行密封，并使用樹脂和紫外線進行愈合，從而形成最終的機器人身體。
軟體機器人的其它微流體通道仍然處于開放狀態，因此機器人的肢體能夠借助水或者酒精來驅動并模擬澳大利亞孔雀蜘蛛的表現。這項研究已經發表在了《先進材料》雜志上。
哈佛大學懷斯研究所的博士后研究生，波士頓大學現任副教授，研究的合著者Sheila Russo稱：“最小的軟體機器人系統仍然趨向于很簡單，通常只有一度的自由度，這意味著它們只能夠進行特定形狀的變化或者特定類型的運動。”
Russo教授稱：“通過融合三種不同的制造技術我們研發出了一種新型的混合制造技術，借助這項技術我們只使用硅橡膠就打造出了具有18度自由度的軟體機器蜘蛛。它能夠在結構、動作和色彩等方面發生變化，而且在微米水平上也具有細小的特征。”
據研究人員稱，這是研究人員首次在這么小的規模上創造出具有這種能力水平的軟體機器人。研究人員認為，這項研究有著潛在的外科手術學和生物醫學應用，而且也可以應用于可穿戴技術。
展開 別看軟乎乎的，它們都是受寵的不正經機器人
另外一個軟體機器人潛力較大的市場就是醫療行業，軟體機器人可憑借其小巧和靈活的特點，幫助人類進行精密的血管、神經組織的手術，減少原來剛性機器人對人體的損傷。
在軟體機器人市場化的進程中，最突出的問題就是非剛需，而在人們體驗越來越追求精致化、精細化的今天，軟體機器人在優化行業格局上是有這重要作用的。
結語：工業、醫療是未來方向
總體上看，軟體機器人是一個非常有前景的研究領域，而其研究據智東西的觀察也是從2000年之后才開始的。當前，這一研究正在學術界如火如荼的進行著，這些科學家們試圖要創造出一種不同于傳統機器人的新型機器人整體。
不過，從學術界引申到商業，軟體機器人確有其用武之地，一方面，剛性材料的機器人更鋒利、更硬，一旦人類誤用或誤撞了機器，將給人類帶來肉體上的傷害，而軟體機器人則相對會給人類緩沖時間，不至于使人類受到大的傷害。這種將傳統機器人進行優化的方式，屬于用軟體機器人錦上添花。而獨具微小、不易察覺的場景，軟體機器人將有廣闊的發展空間。
本文轉自虎嗅網，原文鏈接：https://www.huxiu.com/article/240346.html ，侵刪
展開 可伸縮軟體機器人問世，網友驚呼女性啪啪啪再也不用男人了
特斯拉充電蛇
還有我們看到的特斯拉電動汽車的充電蛇，可以準確找到充電接口，其實就是這種軟體機器人的運用。
這種軟體機器人目前最大的用途還是在于醫療領域，但是費用也機器高昂，很多醫院有這些設備，但是光開機費就達到
2 萬甚至 6
萬，醫保也無法報銷，對于一般人而言性價比并不高。我們也期待著，隨著科技的發展，這個機器人的成本越來越低，可以讓普通人也用到它。你覺得呢？
來源：制造工藝前沿
傳播最新最全的制造工藝技術，覆蓋鑄造，鍛造，焊接，沖壓，注塑，機加工，3D打印等主流制造工藝。
趕緊關注公眾號吧！
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
movie 2
在軟體機器人方面，鑲嵌了iSkin傳感器的軟機械器能夠更準確的感知充氣和變形，結合機器學習從而能夠更準確的判斷物品（圖3， movie 3 ，movie 4，movie 5）。
圖3. iSkin用于軟體機械手的感知。
movie 3
movie 4
movie 5
此外，鑲嵌了iSkin傳感器的四足軟體機器人能夠在極寒環境中感知機器人的爬行或者走路狀態 （圖4， movie 6 ，movie 7，movie 8） 。
圖4. iSkin用于四足軟體爬行機器人的抗凍感知。
這一特點為今后在極端惡劣條件下軟體機器人的閉環控制提供了可能。
論文第一作者應斌斌博士曾在麥吉爾大學和多倫多大學聯合培養，目前正在麻省理工學院機械工程系從事博士后研究工作。研究方向為ingestible bioelectronics and biosensors。
多倫多大學劉新宇教授為本文通訊作者。多倫多大學劉新宇教授團隊長期致力于微納和軟體機器人學、柔性電子器件、微流控器件與系統等機理研究以及應用開發。多倫多大學工程系本科生陳澤元和左潤澤為本文共同第二作者。其他合作作者包括麥吉爾大學助理教授李劍宇。該研究受到了加拿大自然科學和工程研究理事會和加拿大創新基金會的資助。
展開 