“一个更温和的机器人方法”
A gentler approach to robotics
.fav_bar { float: left; border: 1px solid #a7b1b5; margin-top: 10px; margin-bottom: 20px; } .fav_bar span.fav_bar-label { text-align: center; padding: 8px 0px 0px 0px; float: left; margin-left: -1px; border-right: 1px dotted #a7b1b5; border-left: 1px solid #a7b1b5; display: block; width: 69px; height: 24px; color: #6e7476; font-weight: bold; font-size: 12px; text-transform: uppercase; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; } .fav_bar a, #plus-one { float: left; border-right: 1px dotted #a7b1b5; display: block; width: 36px; height: 32px; text-indent: -9999px; } .fav_bar a.fav_print { background: url(‘/images/icons/print.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_print:hover { background: url(‘/images/icons/print.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.mobile-apps { background: url(‘/images/icons/generic.gif’) no-repeat 13px 7px #FFF; background-size: 10px; } .fav_bar a.mobile-apps:hover { background: url(‘/images/icons/generic.gif’) no-repeat 13px 7px #e6e9ea; background-size: 10px} .fav_bar a.fav_de { background: url(/images/icons/de.gif) no-repeat 0 0 #fff } .fav_bar a.fav_de:hover { background: url(/images/icons/de.gif) no-repeat 0 0 #e6e9ea } .fav_bar a.fav_acm_digital { background: url(‘/images/icons/acm_digital_library.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_acm_digital:hover { background: url(‘/images/icons/acm_digital_library.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.fav_pdf { background: url(‘/images/icons/pdf.gif’) no-repeat 0px 0px #FFF; } .fav_bar a.fav_pdf:hover { background: url(‘/images/icons/pdf.gif’) no-repeat 0px 0px #e6e9ea; } .fav_bar a.fav_more .at-icon-wrapper{ height: 33px !important ; width: 35px !important; padding: 0 !important; border-right: none !important; } .a2a_kit { line-height: 24px !important; width: unset !important; height: unset !important; padding: 0 !important; border-right: unset !important; border-left: unset !important; } .fav_bar .a2a_kit a .a2a_svg { margin-left: 7px; margin-top: 4px; padding: unset !important; }

一提到“机器人”,大多数人会想到星球大战中的C-3PO,或者用于制造汽车或包装奶酪的工业机器人。这些机器人设备几乎都由刚性机械系统组成,有时还具有各种形式的人工智能(AI)。
然而,一种新的机器人设备正在形成。软体机器人采用外骨骼和人造皮肤、气动逻辑电路、柔性驱动器、柔性电子学以及与刚性机器人完全不同的工程和设计方法,正从研究实验室走向现实世界。
对社会的影响可能是巨大的。卡内基梅隆大学机械工程教授卡梅尔·马吉迪(Carmel Majidi)表示:“通过模仿软体自然有机体的机械性适应性和多功能性,软体机器人可以用于各种各样的任务和目的。”
辅助医学和内科、农业、食品包装以及搜救等领域都有可能应用软体机器人。然而,尽管该领域取得了巨大的进展,仍然存在许多挑战。工程师们必须赋予软体机器人系统先进的感知能力、微型化电子设备、电源和集成的人工智能。
软体机器人代表着设计能够连接人机之间鸿沟的机器的机会,西北大学材料科学与工程助理教授Ryan Truby表示。”利用软体和柔顺材料构建机器开辟了巨大的可能性。它可以引入新型机器,并改进现有机器的许多功能。”
崭新的触感
尽管机器人在制造厂、外科手术设施、分销中心、家庭、天空和水下等地方很常见,但它们通常都有一个严重的限制:它们是刚性的机械系统,只能重复执行单一动作或微小变化的任务。由于它们无法变形或轻松适应,因此无法到达或完成对生物来说相当容易的地方或事情。
软体机器人的目标是大胆地将领域带到前所未有的地方。借鉴自然的启示,结合生物学、材料科学、心理学和信息学方面的专业知识,构建与身体和其他物体的轮廓相符的设备。软体系统不使用刚性机械臂和关节,而是采用可塑性表面、皮肤和其他组件系统(如微流体学),使其能够以更自然的方式进行交互。
软体机器人的未来已经在加州大学河滨分校(UCR)的儿童康复技术实验室展示出来。该校生物工程系助理教授Elena Kokkoni正在致力于开发软体机器人系统,帮助因神经肌肉障碍而具有运动功能受限的婴幼儿学会使用肢体。
目前,辅助装置可能笨重且有些令人生畏。此外,”它们大多数是被动的,缺乏即时适应能力。它们无法提供所需的帮助,”Kokkoni说。
UCR的跨学科团队已经开发出多种可穿戴儿童机器人外骨骼的原型,用于帮助手臂活动。这些设备可以根据肩膀、肘部、膝盖和其他关节进行修改,依靠气动和微流体电路、嵌入式软致动器和其他传感器,实时响应儿童的特定需求,利用人工智能和其他反馈工具。”我们的目标是制造出一种低功耗、对身体安全、重量轻、低调且几乎无噪音的装置,”她说。
虽然完全功能的外骨骼还需要几年时间,但Kokkoni对辅助软体机器人改变医疗保持乐观态度。”这些系统可以帮助中风或受伤的人更快、更有效地康复,”她说。
关注儿童是有意为之。与成年人不同,婴幼儿无法提供口头反馈,而该设备通过检测非语言信号来填补这一空白。然而,”这些设备并不是为了营造依赖关系。它们教导儿童如何使用自己的身体,”Kokkoni解释说。
运动至关重要
从大型精密电动机构演变为能够适应复杂、动态世界的机器人系统需要多种技术的融合。”传统机器人的构建基于实现计算智能的理念,”Truby说。为了安全有效地执行任务,机器人和编程都必须精确。”这导致我们构建了刚性机器人.”
然而,Truby在西北大学机器人物质实验室的研究倾向于功能性软体、聚合物和纳米尺度材料,他表示重塑机器人的计算方面也很重要。”当一个人像拿起智能手机这样的物体时,这个过程既不精确也不完全相同。我们利用我们皮肤的可变形性和我们自己柔软身体的力学来轻松完成这个任务。”
然而,对于今天的机器人来说,以同样的方式处理手机是”复杂且困难的”,Truby指出。因此,对软体材料进行算法调整是至关重要的。”我们必须重新审视我们如何通过算法实现自主行为,以利用机器人的身体并优化其性能。”
在卡内基梅隆大学软体机器实验室,重点是设计更灵活、能够改变形状并爬行于狭小空间中的无线机器人,甚至是在人体内部,或者结合游泳和爬行等任务。”我们现在看到了材料、结构和计算工具在设计和控制方面的巨大进步,”Majidi说。一旦系统整合更先进的控制器和机载电子设备,这项技术有望”成为工程的无处不在的一部分”。
事实上,他预测未来的设备可能会进一步远离站立机器人、工厂中的机械机器甚至是用于吸尘的Roomba。软体工程方法可能会导致穿戴在身体上甚至与皮肤和内部器官进行交互的设备。”这项技术还可以导致具有更完全自主性的微创外科工具,能够进行物理康复、生物力学辅助或手术过程,对人类操作员的依赖性较小。
Truby总结道,“我们在开发更好的作动器以及适用于软体机器人的电源和控制硬件方面还有很长的路要走。但是,生物启发材料的创新将推动机器人技术的发展,产生能够像生物一样执行任务的机器。自然界为我们提供了活生生的证明,告诉我们什么是可能的。”
Samuel Greengard是一位驻美国俄勒冈州West Linn的作者和记者。