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機器人

機器人太“硬”?“軟萌”柔性機器人了解一下

前瞻網 2019-04-04

摘要 說起機器人,大家可能想到的是科幻世界或者電影里面的機器人,也可能是知名的波士頓動力,或者是Google旗下的Atlas,甚至是新聞機器人主播。但是你知道柔性機器人嗎?

????【CPS中安網 cps.com.cn】?說起機器人,大家可能想到的是科幻世界或者電影里面的機器人,也可能是知名的波士頓動力,或者是Google旗下的Atlas,甚至是新聞機器人主播。但是你知道柔性機器人嗎?

  這個時候有人可能就會出現問號臉:機器人不都是冷冰冰的“鋼鐵直男”?還有柔軟的機器人?怕不是我對機器人有什么誤解?

  實際上,機器人的研發是為了協助或取代人類進行危險的工作,目前大部分的機器人都還是硬邦邦的“硬漢”形象。人們也在拓展自己的想象和創造力,去開發像“大白”一樣軟萌的機器人。這種利用柔軟材料來制作的機器人,被稱為柔性機器人,在研究領域頗受關注。

  但由于現在市場上流行的是機械類機器人,加之絕大部分的軟體機器人都處于實驗室階段,在實際應用上還有待開發。因此公眾對柔性機器人知之甚少也是情有可原。不過從目前的發展趨勢來看,柔性機器人未來絕對大有可為。

  柔性機器人

  柔性機器人通常是利用軟體材料制成,憑借其在機體上柔性的優勢,在場景上也更加靈活。它可以更好適應各種環境,受到外界沖擊后也不會產生大的傷害,在空間狹小、非結構下的環境下都可以完成復雜的任務,例如醫療、軍事及探測領域。

  科學家們一般從自然界汲取靈感,創造出遠比那些傳統的金屬制同類更加靈活和多功能的機器人。

  我國現有的柔性機器人共分為兩種,一種是應用于工業制造的的工業柔性機器人;另一種是應用于仿生機器人的生物柔性機器人,也叫做軟體機器人。目前來看,工業柔性機器人在國內的應用更為廣泛。而生物柔性機器人的研究范圍更廣。

  工業柔性機器人:從制造業的角度來講,柔性機器人是指運用機器視覺的六軸以上的工業機器人,比如工業上使用的機器人手臂。德國一家自動化公司曾開發出了一款可抓取異形物體的柔性夾具。

  相對于功能比較單一的傳統工業機器人來講,工業柔性機器人借助于相機,光源,圖像采集卡,視覺軟件等機器感知部件,通過圖像采集,圖像處理,運動控制來完成一系列復雜的動作。正是由于近幾年視覺機器的快速發展,才讓柔性機器人在制造業領域大限神威目前已經形成FMS系統。

  生物柔性機器人:從生物學角度來講,柔性機器人是指模擬生物的柔性與靈活性創造的仿生機器人。比如毛毛蟲機器人,它們“柔若無骨”。

  與傳統“剛性”機器人相比,柔性機器人通常:

  1. 它的模型大多來自于自然界的軟體生物,如機器蛇、海洋水生動物機器人等。

  2. 機器人材料的選擇主要是柔性的材料,而不是傳統的剛性連接器和外殼,這種材料帶來的優勢是可用最簡單的方法——3D打印的方式來制作,非常節約時間和成本。

  3. 在驅動方式方面,目前的研究機構主要有兩個方向:第一個方法是模仿人或者動物的肌肉的運動原理,第二種就是利用環境的變化來獲取動力,比如溫度、空氣以及光照等方式。

  千奇百怪的柔性機器人

  從2011年開始,研究員們更是在軟體機器人的研究上樂此不疲,推出的研究成品也讓人拍手叫絕,毛毛蟲機器人、蠕蟲機器人、章魚機器人等仿生的機器人,甚至還有微型軟管機器人,可以說只有你想不到的軟體機器人,沒有他們研究不出的機器人。

  1. “毛毛蟲”機器人

  美國塔夫茨大學在軟體機器人上的研究較早,他們在2007年就開始啟動一項計劃,設計一款具有電子原價和線路的“毛毛蟲”機器人。毛毛蟲機器人設計的初衷是,使其可替代人通過危險的區域,如核反應堆、雷場或是替代人類維修太空飛行器的太陽能電池板。2011年,這款機器人終于面世了,研究員們為其命名GoQBot,因其在運動時可將身體蜷縮成Q形,滾動速度達每秒0.5米。

  2. 網眼蠕蟲機器人

  “網眼蠕蟲”又名:“人造肌肉”是由美國麻省理工學院、哈佛大學和韓國首爾國立大學研究人員設計出一種模仿蠕動機制的機器人。由于組成它身體的彈性管子是網眼狀,于是科學家給它取名“網眼蠕蟲”機器人。

  這種機器人能夠通過收縮部分軀體,像蚯蚓一樣在表面上蠕動??膳肋M微小的空間中拍攝視頻信息,并進行實時傳送,成為一種高科技超級間諜機器,在無法察覺的地方竊取秘密圖像和視頻。這種幾乎全用軟材料制造的機器人有很強的彈力。即使被踩到或用鐵錘重擊,它也不會受傷,仍會繼續向前緩慢移動。

  3. 軟體機器魚

  2014年美國發明了一款軟體機器魚,不僅防水,而且還能模擬快速游動的魚類。它由硅橡膠制成,能夠瞬間改變移動方向,這是首個能夠快速移動身體的獨立自控軟體機器人。機器魚通過釋放腹小罐的二氧化碳提供動力,將通過波狀通道使機器魚尾發生彎曲,在二氧化碳罐耗盡之前機器魚能夠實現30次游動。

  4. 可折疊機器人

  去年,MIT、謝菲爾德大學及東京工業大學共同研發出一種可折疊機器人。它能遇熱自動伸展,可以作為醫用膠囊,通過外部的磁鐵控制其行動方向,它可以爬進胃里,將用戶誤吞食的電池取出,甚至修補人體內的破洞。

  5. 達芬奇手術機器人

  美國的達芬奇手術機器人是目前比較先進成熟的柔性機器人。它由醫生控制系統,三維成像視頻影像平臺,機械臂攝影臂和手術器械組成移動平臺三部分組成。實施手術時醫生不需要與病人接觸,通過三維視覺系統和動作定標系統操作控制,由機械臂以及手術器械模擬完成醫生的技術動作和手術操作。

  6. 會生長的仿藤機器人

  研究人員開發出一種全新的仿藤機器人,能夠在不移動整個身體的情況下,長距離生長,并能蛇形蜿蜒。研究人員表示之所以研發出柔性機器人是受到自然的啟示。生物具有生長的特性,無論是藤蔓、真菌還是人腦內的神經細胞,都能通過軟性延展來覆蓋距離,那么仿生裝置應該也可以。這種柔性機器人設計允許在復雜的非結構化環境中避開障礙,這有望在管道和導管、醫療設備以及探索和搜救機器人中進行導航。

  7. 柔性納米機器人

  瑞士聯邦理工學院(EPFL)蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的研究人員受細菌啟發,研發出一種可以在體液中游動的柔性機器人,將來它或可把救命藥物送到你體內難以到達的地方。這種機器人具有生物相容性,能夠根據需要改變形狀,并且可以在不影響速度的情況下通過狹窄的血管。

  柔性機器人研發難點、痛點

  柔性機器人的發展目前還處于初級階段,未來有很長的路要走,在這一過程中仍有許多難點需要克服,這些困難主要來自于新材料的研究與升級。

  工業柔性機器人為了保障其更高的柔性化作業,實現無障礙的人機協作,確保最佳的安全性與適應性,需要不斷提升對材料的升級應用,通過3D打印等方式尋找新材料或是首要任務。

  而生物柔性機器人則面臨兩大主要難題,一個是驅動力,另一個也是材料。這里的材料有別于工業柔性機器人,著重體現在仿生中對皮膚和肌肉等構造的打造。比起工業柔性機器人,生物柔性機器人在材料方面的開發更加困難。

  其次在驅動方式上,從材料的組成可以看出其實大部分還是通過電動驅動,相比于其他驅動方式,電動驅動器擁有變形大、能量密度高、結構緊湊、重量輕、價格低和噪音小的特性。但是這種驅動方式也有很大的隱患,機器人的運動精度控制上有難度,另一方面,如果驅動機器人運動所需的電場強度過高,也會影響它在一定范圍內的運動。

  雖然應用前景廣泛,但目前還在紙上談兵階段

  盡管柔性機器人的研究難點很多,但它也是許多高校實驗室研發的一大重點,因為從實用性來考量的話,這種柔性機器人非常適合一些“極端”的場景下,比如受災現場的救援:它可以進入到一些危險、狹小的地方;還有海底探索上,柔性機器人可以潛入到像珊瑚礁這樣的海底生物內,在不傷害它們的同時去探索更多的海底秘密。

  柔性機器人的應用目前集中在2大領域,分別是工業和醫療。當前,對于柔性機器人的商業應用來說,主要集中在兩大領域,即工業和醫療,兩者都具有很大的需求空間。以醫療為例,專家分析,柔性化的手術機器人在國內潛在市場空間約為136億元/年。

  至于工業機器人,隨著人機協作的深入推廣,它在工業生產中的重要性也隨之凸顯,未來市場需求只會與日俱增,其空間廣闊成都絲毫不亞于生物柔性機器人。

  但是目前絕大部分的軟體機器人都處于實驗室階段,在實際應用上還有待開發。不過假以時日,這些柔性機器人一定會有所作為。

責任編輯:yxshi


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