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说起机器人，通常的印象都是像《变形金刚》（Transformers）那样象征力量、速度和坚硬的大块头，然而来自瑞士联邦理工学院洛桑分校（EPFL）研究人员却对《超能陆战队》（Big Hero）软萌大白一样的软体机器人情有独钟。 EPFL可重构机器人实验室（RRL）研究人员利用软体执行器开发出一系列软体、柔性、可重构的软体机器人，多篇研究结果发表于《科学通报》（Scientific Reports）、《软体机器人》（Soft Robotics）等国际期刊上。 软体机器人通常由类似人体肌肉的软体执行器构成，而软体执行器的材料一般是弹性体材料，例如硅胶和橡胶，所以其本身十分安全。通常，软体机器人的本体部分会设计成特定的“软气囊”，这样就能利用气压来控制软体机器人的运动特性。 所以，软体机器人材料成本低、易于控制，并且易于大规模生产，常用来设计可穿戴辅助设备，在病人术后康复、操纵易碎物品、仿生系统以及家庭护理等方面有非常大的潜在应用。 贡佳·阿加瓦尔（Gunjan Agarwal），马修·罗伯特森（Matthew Robertson）和杰米·帕伊科（Jamie Paik）。图片来源： EPFL RRL主任杰米·帕伊科（Jamie Paik）说：“我们的软体机器人设计十分注重安全性，比如，穿戴这种软体材料制作的外骨骼做康复训练，受伤的可能性非常小。” 软体执行器控制模型 第一排表示软体机器人整体（硬壳和软核）应力仿真结果；第二排表示软体机器人软核的应力仿真；第三排是对应的实验结果。图片来源：DOI: 10.1038/srep34224 研究者进行了一系列数值模拟，提出了软体机器人运动控制预测模型，能够精确预测各软体模块的运动特性。这些软体模块由多个空气腔室和隔层组成，基于不同的模型，软体机器人能够伸展至其原始长度的五到六倍，并且能够在两个方向上弯曲。 研究者贡佳·阿加瓦尔（Gunjan Agarwal）说：“经过多次模拟实验，我们提出了软体机器人变形运动的预测模型，能够根据形状、厚度及制造材料等不同变量有效预测执行器的变形结果。” 褶纸外壳软体气动执行器（Soft pneumatic actuators，SPA）双向弯曲运动。图片来源：DOI: 10.1089/soro.2016.0023 其中一种软体机器人是利用褶纸厚纸壳作为软体气动执行器（SPA）的外壳，实验结果表明研究者提出的运动控制预测模型适用于不同的材料。 阿加瓦尔说：“弹性材料结构具有高回弹、快复原的特性，但是却难以控制，我们必须能够有效预测其变形的方式及方向。正因为这类软体机器人易于生产但难于控制，所以我们在线公布了我们逐步开发设计的工具，以帮助机器人学的爱好者和学生。” 可穿戴辅助软体康复带，可用于辅助物理治疗。图片来源：EPFL 可穿戴辅助康复带 除了仿真模拟，RRL的研究者也开发了具有医疗用途的软体机器人，研究结果发表于《软体机器人》（SoftRobotics）。其中一类医疗软体机器人是由多个可充气组件构成的软体康复带，用于在康复训练中帮助病人保持直立以及指导康复动作。 软体康复带由成排的鱼线缠绕的橡胶软体构成，连接气泵系统。图片来源：EPFL 气动控制康复带弯曲。图片来源： EPFL 这种康复带软体机器人由成排的软体橡胶（粉红色）和透明鱼线制作而成，康复带的控制部分与外部气泵系统相连，当引入气压控制时，置入的鱼线能够精确地引导软体模块变形。 该项目负责人马修·罗伯特森（Matthew Robertson）称：“下一步的目标是缩小气泵系统，并将其直接集成到康复带本身。目前，我们正与洛桑大学医学院（CHUV）治疗中风患者的理疗师合作，这种康复带软体机器人能够帮助支撑病人躯干并恢复肌肉敏感性。” 自适应可重构机器人 软体机器人的潜在应用远不止于此。研究者同时也开发了自适应软体机器人，用于在狭窄或恶劣环境下进行导航。正因为软体机器人具有高度柔软性，所以应该能够承受一定的挤压力。 帕伊科称：“利用软体执行器，我们可以开发出能够适应不同环境的不同形状的软体机器人。并且，制作材料成本低、易于大规模生产。这将是机器人领域新大陆的金钥匙！” 参考： 1.G. Agarwal, N. Besuchet, B. N. Audergon and J. Paik. Stretchable Materialsfor Robust Soft Actuators towards Assistive Wearable Devices, inScientific reports, vol. 6, num. 34224, 2016. 2.M. A. Robertson, H. Sadeghi, J. M. Florez and J. Paik. Soft PneumaticActuator Fascicles for High Force and Reliability, accepted in SoftRobotics, 2016. 3.L. Paez, G. Agarwal and J. Paik. Design and Analysis of a Soft PneumaticActuator with Origami Shell Reinforcement, in Soft Robotics, vol. 3,num. 3, 2016. 4.http:///news/2016-10-soft-robots-mimic-human-muscles.html#jCp |
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