大象的鼻子柔順靈活又很有力氣。受象鼻啟發(fā)，中國(guó)科大陳小平研究團(tuán)隊(duì)提出了一種蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)器人。這一軟體機(jī)器人手臂能輕松完成生活中的多項(xiàng)操縱任務(wù)：開門、開抽屜、擦玻璃、擰瓶蓋等都不在話下。
4月12日，記者從中國(guó)科大獲悉，最新一期的機(jī)器人頂刊《The International Journal of Robotics Research》簡(jiǎn)稱《IJRR》刊發(fā)了科大團(tuán)隊(duì)在軟體機(jī)器人手臂上的研究進(jìn)展。由于軟體機(jī)器人手臂具有本質(zhì)柔順性和連續(xù)變形特性，在智能制造、醫(yī)療康復(fù)、家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【厲害】
不需精確建模機(jī)器人能輕松開門、擰瓶蓋
如今在不少生活和生產(chǎn)場(chǎng)景中都有了機(jī)器人的身影，人們常見的機(jī)器人是鋼鐵結(jié)構(gòu)的“剛性機(jī)器人”。
在最新一期的《IJRR》中，陳小平研究團(tuán)隊(duì)展示一款“軟體機(jī)器人手臂”，能輕松完成生活中多項(xiàng)操縱任務(wù)，展示出了一種全新的機(jī)器人與環(huán)境交互的方式。
這一“軟體機(jī)器人”與“剛性機(jī)器人”有何不同？在一段視頻中，記者看到，“軟體機(jī)器人手臂”可以靈活地握住門把手，輕松把門拉開。
該研究團(tuán)隊(duì)介紹，讓“剛性機(jī)器人”執(zhí)行開門任務(wù)并不簡(jiǎn)單，為了完成這一任務(wù)，需要精確的感知、建模、規(guī)劃和控制等。一旦中間任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)，都可能面臨完不成任務(wù)的后果。而得益于被動(dòng)柔順性，“軟體機(jī)器人手臂”在跟環(huán)境交互的時(shí)候，不需要提前對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確建模，也不需要力傳感器精確的感知環(huán)境接觸力，即使執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中被人為“搗亂”也不影響完成任務(wù)。“就像開門對(duì)于人來(lái)說(shuō)很容易一樣，抓住門把手，向下壓，再往后一拉就行了。”該團(tuán)隊(duì)介紹。
除了輕松開門外，“軟體機(jī)器人”還能執(zhí)行生活中的多項(xiàng)操縱任務(wù)。比如說(shuō)，開抽屜、擦玻璃、擰瓶蓋都不在話下。
【創(chuàng)新】
研發(fā)靈感來(lái)自“象鼻” 靈活且有力
從外形上來(lái)看，陳小平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“軟體機(jī)器人手臂”與大象鼻子相似，能夠在執(zhí)行任務(wù)時(shí)彎曲和伸長(zhǎng)。
而實(shí)事上，這一研發(fā)靈感正是來(lái)自“象鼻”。受象鼻啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，并基于這種結(jié)構(gòu)，制備了像象鼻一樣靈活度的軟體手臂。“蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”是蜂巢和氣囊的結(jié)合，當(dāng)氣囊充氣時(shí)，依靠蜂巢的結(jié)構(gòu)形變，產(chǎn)生不同方向的彎曲運(yùn)動(dòng)或者伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。
不僅是靈活，“軟體機(jī)器人手臂”還具有大負(fù)載能力，目前手臂的負(fù)載自重比達(dá)到了1：1。
“目前大多數(shù)軟體機(jī)器人，像柔性手爪、水下軟體機(jī)器人、軟體手術(shù)機(jī)器人等，使用比較軟的柔性材料作為主體，比如硅膠。”該團(tuán)隊(duì)研發(fā)人員介紹，這類軟體機(jī)器人通過(guò)壓縮流體、記憶合金等方式驅(qū)動(dòng)柔性材料形變從而產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人受限于材料特性，很難做到大負(fù)載。
此次科大研發(fā)的“軟體機(jī)器人手臂”采用“蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”，其變形是由構(gòu)成蜂巢的六邊形的折疊、伸展提供的。這種結(jié)構(gòu)可以用相對(duì)比較硬的材料制作軟手臂，讓手臂具有靈活性的同時(shí)，兼具大負(fù)載能力。
這一“軟體機(jī)器人手臂”的成本高不高？記者了解到，在該研究中，研究者使用3D打印技術(shù)制備蜂巢結(jié)構(gòu)，具有成本低、制備簡(jiǎn)單、便于維護(hù)且很耐用的特點(diǎn)。
【運(yùn)用】
從自然界汲取靈感拓展機(jī)器人技術(shù)邊界
在實(shí)際操縱中，“軟體機(jī)器人手臂”的控制精度往往不如剛性手臂高，如何用軟體手臂完成更加精細(xì)的任務(wù)呢？
針對(duì)這一問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，其實(shí)人手臂的精度也不高，往往通過(guò)借助工具來(lái)完成精細(xì)的任務(wù)。比如畫一條直線，多數(shù)情況下需要借助尺子。在一段視頻中，研究者展示了軟手臂也可以借助尺子畫一條直線。而讓機(jī)器人像人一樣使用工具這一想法，為軟體機(jī)器人的應(yīng)用打開了更廣闊的空間。
目前科大陳小平科研團(tuán)隊(duì)在軟體機(jī)器人領(lǐng)域研究了近十年，相關(guān)研究先后獲得IEEE ROBIO 2016最佳會(huì)議論文獎(jiǎng)和哈佛大學(xué)軟體機(jī)器人挑戰(zhàn)賽第二名。
談及未來(lái)運(yùn)用，該團(tuán)隊(duì)表示，“接下來(lái)將繼續(xù)從自然界汲取靈感，開展軟體機(jī)器人的相關(guān)研究，拓展機(jī)器人技術(shù)的邊界，爭(zhēng)取讓機(jī)器人早日走進(jìn)千家萬(wàn)戶”。
記者 蔣瑜香
