华人学者研制速度最快软体机器人:受猎豹启发,独创具有弹簧动力的双稳态脊柱|专访

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华人学者研制速度最快软体机器人:受猎豹启发,独创具有弹簧动力的双稳态脊柱|专访
麻省理工科技评论 2020-05-11

2020-05-11

“你也可以把它当作一个软性关节,通过模拟膝关节来帮助病人行走。”
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“你也可以把它当作一个软性关节,通过模拟膝关节来帮助病人行走。”

疫情之下,由于人与人之间的社交隔离需求,长期的远程工作使得机器人行业得到了前所未有的发展。

当前,大多数传统机器人(刚性机器人)由硬质材料制成,输出力量大、速度快且精度高,但传统机器人结构复杂、灵活性很差,在一定程度上不能满足人类的一些特定需求。与刚性机器人相比,软体机器人具有高顺应性、适应性和安全性等特点,在工业、农业、医疗、救灾等领域都有广阔的应用前景。

近年来,软体机器人吸引了人们极大的研究兴趣。由于软体机器人的高安全性以及与人类、恶劣环境的自适应交互,软体机器人具备传统刚性机器人难以 “拥有” 的功能。比如,软体机器人在执行抓取作业时因其自身的柔软性而能改变自身形态,对一些易碎品和不规则物体进行抓取时,采取包裹形式的抓取,不会损坏物体。

但是,由于软体材料的内在限制,要使软体机器人具备高速移动和高强度操作等高性能特征,依然存在不小的挑战。另外,新的软体结构对材料和传感技术的要求越来越高,现有的材料并不能完全满足所要实现的功能,如何使材料拥有高度的柔顺性和较高的刚度,依然是一个亟待解决的问题。

到目前为止,大多数软体机器人在陆地和水下都表现出相对较慢的移动速度,软机械臂的有效载荷能力也有限,远低于动物和刚性机器人的运动速度和高强度操作。开发刚柔并济的新材料、高效制造和精准控制是研究软体机器人的未来方向。

猎豹是陆地上奔跑速度最快的生物,它们通过弯曲脊柱来获得速度和力量。受猎豹的生物力学启发,北卡罗莱纳州立大学机械与航空工程系助理教授尹杰团队,开发了一种新型软体机器人——LEAP 机器人,无论是在固体表面,还是在水中,该机器人都比其他软体机器人移动得更快,该机器人还可以轻松地抓取物体,也具有足够大的力量举起重物。相关研究论文已发表在 Science 子刊 Science Advances 上。

华人学者研制速度最快软体机器人:独创具有弹簧动力的双稳态脊柱

此外,软体机器人通常被设计为用于移动或操作等单一目的,一个通用的软体机器人,可以在不同的工作场景下服务于多个目的,大大提高其工作效率和功能多样性。

华人学者研制速度最快软体机器人:独创具有弹簧动力的双稳态脊柱

图|北卡罗莱纳州立大学机械与航空工程系助理教授尹杰(来源:尹杰)

“LEAP 机器人最大的亮点是,它是一款如 ‘飞驰的猎豹’ 一般的软体机器人,其速度比当前市场上最快的软体机器人快 3 倍左右。” 尹杰告诉 DeepTech。

尹杰还表示,除了快速奔跑、抓取易碎物品、抬举重物等,LEAP 机器人还可能用于膝关节的康复,以协助患者步行和跑步。

飞驰的小型 “猎豹”

一般情况下,高速运动的物体需要具有响应速度快、输出动力大、应变储能高、运动精度度高的特点。由于材料的柔软性和结构的柔顺性,软体机器人通常表现出力量小、变形大和响应时间慢等特点,且软体材料也难以快速储存和释放大量机械能。这就限制了软体机器人在高速运动和高强度操作中的应用。

尹杰认为,“现有的软机器人只是一个 ‘爬行器’,它们始终与地面保持接触,这限制了它们的速度。” 研究团队受到猎豹的启发,创造了一种具有弹簧动力、“双稳态” 脊柱的软体机器人,这种机器人具有两种稳定状态,可以通过将空气泵入软硅胶机器人内衬的通道中,在两种稳定状态之间快速切换,在几十毫秒内快速存储和释放能量,使机器人可以快速对地面施加力。

“这使得机器人能够在地面上飞奔,这意味着它的脚离开了地面。”

华人学者研制速度最快软体机器人:独创具有弹簧动力的双稳态脊柱

图|LEAP 软体机器人(来源:Science Advances)

据论文描述,当前最快的软体机器人能以每秒 0.8 倍体长的速度在平坦的固体表面上移动,而 LEAP 机器人能在 3Hz 的低驱动频率下以每秒 2.7 倍体长的速度 “飞驰”,快了 2 倍还多。

华人学者研制速度最快软体机器人:独创具有弹簧动力的双稳态脊柱

图|与其他机器人对比(来源:Science Advances)

此外,LEAP 机器人还能在陡峭的斜坡上前进,这对那些向地面施加较小作用力的软体机器人来说,可能会有很大的挑战或根本不可能实现。

研究人员还表示,LEAP 机器人的设计可以提高游泳速度,通过安装一个“鳍”,LEAP 机器人能够以每秒 0.78 个身长的速度游泳,而之前游泳软体机器人的最快速度是每秒 0.7 个身长。

研究人员指出,这项工作可以作为一个 “概念证明”,他们认为可以通过修改原有设计使 LEAP 机器人更快、更强大。

“多功能” 软体机器人

尹杰告诉 DeepTech,除了论文内描述的快速搜索、救援等潜在的应用,由于 LEAP 机器人的优势在于快速响应和由低到高的可调节动力,它在有高效率需求的场景中应用潜力巨大。

例如,在化妆品、食品和医药行业产品线上快速拾取和包装易碎的移动物体。“我们还展示了几个 LEAP 机器人如何一起工作来抓取物体,” 尹杰说,“通过调整 LEAP 机器人施加的力,可以举起像鸡蛋一样易碎的物体,以及重达 10 公斤及以上的物体。”

由于LEAP 机器人结合了刚性机器人的高动力和软机器人的高顺应性与安全性等优点,LEAP 机器人未来的商业化模式还可以跑步软体机器人和康复软体机器人。尹杰表示,LEAP 机器人还可能用于膝关节的康复,以协助患者步行和跑步。“LEAP 机器人通过‘脊椎’的弯曲和伸展实现了快速奔跑,你也可以把它当作一个软性关节,通过模拟膝关节来帮助病人行走。”

LEAP 机器人的优势在于快速响应和由低到高、可调节的动力。在主动康复训练中,机器人的辅助模式必须根据患者病情的不同进行相应的调整,实现个性化的训练。比如,针对康复初期患者,其肌力较弱,一般需要机器人提供较大的驱动力辅助患者完成运动训练;而随着患者肌力的逐渐恢复,机器人可以逐步减小辅助力,并逐渐由助力转化为阻力,以加大患者的训练强度,改善康复效果。在下肢康复方面,主动康复训练模式还需要进一步研究,包括进一步改善意图识别精度、改善操作柔顺性等。

据论文描述,这项研究建立了新一代高性能软体机器人的通用设计范例,这种机器人将适用于多功能性、不同的驱动方法和多尺度的材料。

不足和期望

当前的 LEAP 机器人还存在一些缺点和不足。其中之一是,LEAP 机器人是一种由气动空气驱动的绳系机器人 — — 要想在将来的现实生活中应用,它必须是一个不受束缚的自主机器人。对此,尹杰表示,利用其他远程驱动实现 LEAP 机器人的变形和运动,可以解决这一问题。

例如,通过将小型电源、传感器和微控制器集成到 LEAP 机器人内部进行无线控制;或通过控制磁场用磁力驱动代替气动驱动;再或者用温度或光敏液晶聚合物等刺激响应型材料代替复合软体材料。

另一点在于如何控制软体机器人的运动,因为要像精准控制刚性机器人的每个动作那样,是很有挑战性的。

目前的 LEAP 机器人只是一个长约 7 厘米,重约 45 克的 “袖珍” 产品。他希望未来的 LEAP 机器人具有更强的适应性,可大可小。既可以放大到人类和动物的大小,在速度上媲美真正的陆地动物,也可以缩小到昆虫、甚至微型机器人的大小,用于人体内的快速药物递送或高效健康检查。

尹杰认为,随着 5G 和人工智能等技术的快速发展,我们将在未来 3~5 年看到这些新兴技术与机器人行业的融合,以实现更加智能的自主机器人。

当前,新冠肺炎大流行对各个行业造成了很大的影响,既有危机,也有机遇。未来,远程工作将成为大多数行业的选择,通过将工作转移到线上,来减少现场工作人员之间的面对面交流。届时会有大部分工作将通过远程操控机器人来实现,这就为机器人产业创造了更多的机会,特别是将人工智能、5G、先进传感器等技术和产品融合起来的智能机器人。

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