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受象鼻啟發，哈工大新型“柔性機器人”能否撬動這個780億市場？

2020-3-31 來源：AI報（bào）道作者：-

隨著柔性機器人的迅速發展，人們越來越意識到，冰冷、僵硬隻是我們對機器人的刻板印象。近年來，有（yǒu）不（bú）少研究團隊受貓狗（gǒu）、蛇、章魚等動物的啟發，設計出多（duō）種形態的柔性機器人。這一次，哈工大研究團隊受到了象鼻的啟發，設計了新型的柔性機器人。

近（jìn）日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業大學冷勁鬆教授團（tuán）隊與（yǔ）美國馬裏蘭大學（xué） Norman M. Wereley 教授團（tuán）隊的共同研究成果（guǒ），題為（wéi） Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟（qǐ）發的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣（qì）動人工肌肉）。

哈爾濱工業大學是（shì）我國最早開展機器人技術研究的高校之一，也是我國第一台電焊機器人、弧焊機器人、爬壁機器人、空（kōng）間機器人、月球車的（de）誕生地，在機器人技術研（yán）究（jiū）方麵（miàn）處（chù）於領先地位。

據報道（dào），此次哈工大冷勁鬆教授研究團隊受到了象鼻的啟發，在研究上又有了新發現，設計了新型的柔性機器人——新型彎曲螺旋可（kě）伸展/收（shōu）縮（suō）氣動人工肌（jī）肉。

人造肌肉

在該研究中，「氣動人工肌肉」是一個（gè）核心元素。

據（jù）了解（jiě），氣動人工肌肉，是（shì）人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性（xìng）聚合物，是一種新型智能高（gāo）分子（zǐ）材料，是根據生（shēng）物學（xué）原理由纈氨（ān）酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定（dìng）順序排列構成，可（kě）在外加電場下通過內部結構的改變而（ér）伸（shēn）縮、彎曲、束緊或（huò）膨脹（zhàng），非常接近生物的肌肉纖維（wéi）。

而氣（qì）動人工肌（jī）肉，從字麵意思上理解就是（shì），由外部的壓縮（suō）空氣驅動（dòng）進行推（tuī）拉動作的人造肌肉（ròu），具有柔順性、輕（qīng）量性、綠色性等優勢（shì）。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量（liàng），用“四兩撥千斤”來形容它再合適（shì）不過了。

實際上（shàng），由於具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結構（gòu）、與骨骼肌相似的特（tè）性，氣動人工肌肉在軟體仿生機器（qì）人、變剛度靜水骨骼等領域都得到了（le）廣泛的應用。此外，這類材料在醫學、機器（qì）人、軍事、航天、光學等領域（yù）都發揮著重要作用，具有巨大的商業潛（qián）力。

早在 20 世紀 40 年代，科研人員就開始對這一領域進行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團（tuán）隊還在 Science 發表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹係數不同的聚合（hé）物材料高密（mì）度聚乙烯和環烯烴共聚物彈性體製成的新型人（rén）造肌肉，這種人造肌肉一（yī）經加熱，便可自由（yóu）伸（shēn）縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當期 Science 封麵。

【氣動人工肌肉圖源（yuán）百（bǎi）度百科】

“仿象鼻”柔性機器人

近年來，曾有不少研究團隊受花瓣（bàn）、獵鷹、蛇（shé）、鴿子、魚、兔子等等的啟發，設計出多種形態的柔性機器人。而此次哈（hā）工大研究團隊受（shòu）到象鼻的啟發，設計了新型的柔性機器人（rén）。

研究（jiū）團隊指出，氣動人工肌肉運（yùn）動在一定程度上僅局限於單軸（zhóu）收縮（suō）和拉伸，這（zhè）也限製了其發展。

為（wéi）此，該團隊在可（kě）伸展/收縮的氣動（dòng）人工（gōng）肌肉的基礎上設計了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（ròu）（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架（jià）組成（如下（xià）圖）。

當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產生繞軸的彎（wān）曲、旋（xuán）轉運動，使致動器產生螺旋（xuán）變形，類（lèi）似我們（men）曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉的運動過程。

而區分伸展還是收（shōu）縮，主要取決於「編織角度」——編織（zhī）角度 > 54.74 度時為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時為 HC-PAMs（下圖（tú） ii）。

在此基礎之上，研究（jiū）團隊通過一個仿象鼻的高自由度柔性臂來探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機器人領（lǐng）域的潛在應用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負載能力（lì）很強，而 HE-PAMs 可產生更多的變形（xíng）。

值得一（yī）提的是，這一研究提出了統一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團隊（duì）通過實驗、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義（yì）彎曲行（háng）為模型，並在相同的理（lǐ）論框架下研究了軸向、彎曲和（hé）螺旋氣動人工肌肉的特性。

據了解，軸向、彎曲和（hé）螺旋（xuán）氣動人工肌肉可以廣泛地應用於各個方（fāng）向，比如軟體分類機器人、搜索（suǒ）機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿（chuān）戴設備等等。

提升人機互動性的柔性機器人（rén）

實際上，人（rén）造肌肉材料已成為當今研究的前沿和熱（rè）門，這與人們對柔性機器人領（lǐng）域越來（lái）越多的關注密不可分（fèn）。

捷克（kè）斯洛伐克（kè）作（zuò）家卡雷爾·恰（qià）佩克在（zài）其科幻小（xiǎo）說中，根據 Robota（捷克（kè）文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波（bō）蘭文“工人”），創造出“機器人”一詞。100 年後，機器人不再隻是僵（jiāng）硬、冰冷（lěng）的機器，柔（róu）性機器人正進入（rù）我（wǒ）們的視野，工業柔性機器人和生物柔性機器人是其主要的 2 個分（fèn）支。

柔性機器人可具備的特（tè）性包括材料的柔軟性（xìng）、優（yōu）良（liáng）的環境適（shì）應（yīng）性（xìng）、超強（qiáng）的安（ān）全性，以及良好的人機互動性。正如香（xiāng）港科技大學機（jī）器人研究院院長、機械及航空航天工程學係教授王煜在 2018 年世界機器人大會上（shàng）所說：

相（xiàng）較於剛體材料而言，軟體材料互動性好很多，如果用軟體材料做出新的機器人，可能會開拓出（chū）新的應用領域。

不過，想要完美地同時（shí）兼具上述（shù）幾種特性，還有很多（duō）技術上的難題，目前研（yán）究人員（yuán）們也正在尋求一個突破口，比如中國科學院理化（huà）技術研究所研究員、清華大學教授（shòu）劉靜團隊考慮了室（shì）溫液態金屬在柔性機器人領域的應用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液（yè）壓（yā）驅動的方式驅（qū）動機器人運（yùn）動。

應用前景

當前，全球機器人市場規模持續擴大，機器人（rén）產業正穩步增長（zhǎng）。據相關報（bào）告（gào），2019年全球機器人市場規模達到294.1億（yì）美元，2014～2019年全球機器（qì）人市場的平均增長率約為12.3%。業內人士預測（cè），中國將成為全球最大的機（jī）器（qì）人應用（yòng）市場，預計在（zài）2030年產業規（guī）模將達（dá）到（dào）260億美元，占到全球1/3。也（yě）就是說，預計在2030年全球機器人產業規模將達到780億美元。

在巨大的（de）市場前景（jǐng）下（xià），不少企業、高（gāo）校等研發團隊研發相關產品。而柔性機器人具（jù）備材料的柔軟性、優（yōu）良（liáng）的環境適應（yīng）性、超強的安全性，能夠破除傳統機器人關節的僵硬和（hé）材料（liào）的剛強，有著更為良好的人機互動性，或將成為未（wèi）來商業運用（yòng）的主流趨勢之一。極智嘉聯合創始人兼CTO李洪波曾表示，柔性機器（qì）人係統蘊含著巨大市場潛力，將會在智慧物流、智能製造、以及大家所能想象到的商業環境裏，得到廣（guǎng）泛的應用。

目前，柔（róu）性機器人主要的商用場景為工業和醫療。其中，醫療領域是柔性機器（qì）人典（diǎn）型性和商業度較（jiào）高的應用領域，潛力空間估值接近75億美（měi）元。

在醫療機器人的柔性（xìng）化運用中，手術機器人的臨床性和產業化程度是當前發展最快的。柔性化的醫療機器人能夠進入人體四處移動，提供照明，成為醫（yī）生的眼睛，甚至可以繞過想要（yào）避開的區（qū）域。而著名的達（dá）芬奇手術機器人，代表了柔性機器人在該領域的一定水平，其可自由運動的手臂腕部、3D高清影像技術、主控台的人機交互設計這三個關鍵核心技術，分別對應（yīng）了柔性機器的機器感知（zhī）、機器行動和人機交互，可協助（zhù）醫生在有限的（de）狹窄空間工作，手（shǒu）術操作更精確。

對於工業領（lǐng）域的柔性機器人應用來說，隨著研發水平不（bú）斷提升、工藝設計不斷創新以及新材料相繼投入使用，工業機器人的類人精細化操作能力不斷增強。如日本愛普（pǔ）生首款新型折疊（dié）手臂六軸機器人，可（kě）在現（xiàn）有同級別機械臂60%的工位空（kōng）間內完成靈活操作，采用內部走線設計，自然進入高層設備（bèi）、機器、架（jià）子等狹窄空間，避免了在設（shè）置和維護（hù）過程中進行複雜的布線，大大提高了成本效率並保持較低的總運行成本。

隨著機器人逐步應用到各種實際應（yīng）用場景，機器人產業輕型（xíng）化、柔（róu）性化、智（zhì）能化的趨勢日益明顯。此次（cì）哈工大以象鼻為啟發而建立的氣動人工肌肉的廣義彎曲（qǔ）行為模型，拓展了柔性機器人更多的可能性。由此可見，未來機器人將越來越靈巧、安全（quán），且形式更多樣化（huà），應用（yòng）範疇也更廣。

關於（yú）作者

據了解，論文通訊作者（zhě）為哈爾濱工業大學航天（tiān）學院複合材（cái）料與結構研究所博士生導師冷勁鬆（sōng）教授。

【圖源百度百科】

1992 年起，冷勁鬆教（jiāo）授開始在哈工大開展智能材料係統和（hé）結構（gòu）的研究，主要研究方向包括智能材料係統和結構（gòu）係統、光纖傳感器、結構健康監控、複（fù）合材料結構設計和工藝技術、可變（biàn）翼飛行器、結構振動主動控製、光纖通訊和微波光電子器件、微機電（diàn）係統等等。

另外，冷勁鬆教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔（dān）任主編，在 Smart Materials & Structures 和 Journal of Intelligent Material Systems and Structures 等國際雜誌擔任副主編。2006 年入（rù）選教育部新世紀優秀人才計劃，2007 年入（rù）選長（zhǎng）江學者特聘教授，2018 年當（dāng）選歐洲科學院物理與工程學部外籍（jí）院士（Members of the Academia Europaea）。

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