2017年9月28日，機器人大講堂邀請北京航空航天大學杰出青年學者文力老師為大家?guī)碥涹w機器人的研究報告。這位年輕有為的北航副教授，剛剛在《Science Robotics》上發(fā)表了軟體機器人的封面文章，在中國的機器人圈引起了不小的轟動。
此次文力老師在大講堂的分享匯報吸引了不少學校學生以及產(chǎn)業(yè)界的同仁廣泛關注，為方便大家學習，現(xiàn)將文力老師的報告內(nèi)容整理如下：
什么是軟體機器人
首先我們看一下軟體機器人的定義，什么是軟體機器人？簡單來講，就是大部分的材料，如果把材料按照一個頻譜從左到右進行一字排開的話，處于這個頻譜右端的材料是剛性材料，硬如像鉆石是最硬的一類材料；到左邊像水凝膠或者像我們?nèi)祟惖闹臼擒浶圆牧?。它們的硬度差了大?/span>10的9次方之多。
中間有一條線，楊氏模量是1GPa，1GPa是什么概念呢？就是相當于我們的肌腱，比ABS塑料還要再軟一點，比我們肌腱要再硬一點。這條線把所有的材料頻譜分成左右兩邊?？縿傂缘哪且欢酥饕墙M成了傳統(tǒng)的剛性機器人的核心部件，比如說鉸鏈、減速器，比如電動機、螺釘?shù)鹊取?/span>
而處在這個材料頻譜的左端的，比如像硅膠、血管、人體的皮膚、橡膠等等，這些都是軟體材料。如果大部分機器人的機械部件或者核心部件是由軟體材料組成的，我們就可以把它稱之為軟體機器人。這個定義是由Daniela Rus，麻省理工人工智能實驗室的主任畫的這一張圖，這個圖也成了軟體機器人的一個基本的定義。
軟體機器人是怎樣產(chǎn)生的
我們看一下這個軟體機器人到底是什么時候產(chǎn)生、怎么產(chǎn)生，以及它總體的一個發(fā)展趨勢是什么樣的。從這個圖上來看，2011年的時候，由George M.哈佛大學的老先生，他最早在美國國家科學院刊上面發(fā)表了一篇文章，隔年又在《科學》雜志發(fā)表了一篇文章，他講到用硅膠材料做出了一個能夠爬行的四足動物，但是它只有一種材料。
隨著研究的快速發(fā)展，逐步地到了向多材料發(fā)展，就是上邊最右邊這個圖，通過3D打印從單一材料到多材料的過渡。右下角這個圖是人們逐步把智能液態(tài)的響應材料加入到了硅膠材料當中，讓它能夠?qū)ν獠康膽Α＞褪钱斔?、卷它的時候，它的內(nèi)部的液體會產(chǎn)生一部分的變化，比如光強以及傳感的輸出會發(fā)生變化，這樣就為軟體機器人加入了一定的智能。
再到下面中間這張圖是去年在《自然》雜志上面發(fā)表了一篇很有名的文章，用液體化的3D打印，把所有的驅(qū)動、傳感、甚至控制器都打印到了一個小小的章魚上面，可以通過柔性的，像邏輯控制器FPGA來控制章魚的八個觸手，產(chǎn)生有規(guī)律的、節(jié)律的運動。
右下角這個圖是科研人員將培養(yǎng)的小鼠細胞對它進行了一個基因編程，讓這種小鼠細胞對外部的光強能夠產(chǎn)生反應。當他把小鼠的細胞平鋪到一個黃金材料上的時候，就可以做成一條魚；這條魚在外部光強的響應下會產(chǎn)生波動。
所以從2011年到2017年，這七年的時間內(nèi)，軟體機器人從單一的材料過渡到了多材料，再到了智能材料，最后有可能到生物材料，這是一個發(fā)展的趨勢。所以從這個趨勢結(jié)合起來講，未來的發(fā)展方向一定是它結(jié)合驅(qū)動、傳感、變剛度、多功能的復合材料，以及添加軟體機器人的控制方法。目前控制方法這一塊是比較欠缺的，這是一個學術或者是創(chuàng)新方面的一個主要的發(fā)展趨勢。
軟體機器人用來干什么
那么這個軟體機器人用于干什么？首先第一個是用于抓持作業(yè)，這個抓持作業(yè)就如這個圖上所看到的，左邊這個藍色的球狀是康奈爾做出的樣機；中間的這個是氣動軟體抓持器，左下角的是費斯托做出的一個仿生的抓持器。這一類所有的軟體機器人是用于抓持作業(yè)，抓持作業(yè)就是相當于物品分解或者是抓持形狀不一、大小不等的物體時發(fā)揮它的優(yōu)勢。
在座的有很多同學，有很多是博士生，你們要發(fā)論文，產(chǎn)業(yè)界也可以看一些這樣的論文，來引導產(chǎn)業(yè)的方向。軟體機器人的發(fā)展是非?？斓?，是當今機器人領域里面最重要、最前沿的一個方向，主要是從兩個方面，就是基本的《Nature》和《Science》雜志的論文，2012年到2017年發(fā)表的論文數(shù)遠遠超過了前十年或者前幾十年的論文數(shù)量，今年可能是10篇左右都是關于軟體機器人的。而軟體機器人還專門成立了一個雜志，就叫《軟體機器人》，它的影響力也是機器人里面排名第一位的，所以說這是未來的一個前沿的方向。
同學們可能比較關注這個問題，為什么軟體機器人能產(chǎn)生這么多有影響力或者說是比較原創(chuàng)的工作呢？我總結(jié)了一下，就是它源于幾個重要的因素。第一個方面，就是由于以3D打印、智能材料為主的這一批交叉學科，加入到了機器人這個行業(yè)當中，所以一下讓機器人這個行業(yè)不再只是工程師或者機械、或者自動化這兩個領域的人，而加入了像生物、材料、3D打印等這些比較熱點的研究問題上，所以讓它從一個單一的學科變成了一個多學科交叉。所以利用3D打印、軟體機器人，還可以探索一系列新的科學問題，或者說未來包括國防或者其他的應用。
文力老師相應的科研成果
所以我們腦子里浮現(xiàn)出三個主要的問題，一個是這個吸盤關鍵的形態(tài)特征是什么？第二個是從機器人的角度怎么樣加工制造，以及驅(qū)動控制一個仿生鮣魚的吸盤？第三個是這個鮣魚吸盤蘊含的科學發(fā)現(xiàn)是什么？所以帶著這些問題，我們用Micro nano CT掃描了一個死去的鮣魚的頭部，可以看到這個鮣魚的結(jié)構(gòu)非常奇特，有不同尺度，從微尺度到宏觀尺度，由硬質(zhì)材料、軟材料組成的。
鮣魚頭部的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)是相互嵌入在一起的，這個問題就對加工提出了非常大的挑戰(zhàn)。但是我們在加工之前還是要搞清楚它的特征什么，這是用Micro CT三維重建出來的一個三維的模型，可以看到它有一排一排的結(jié)構(gòu)，我們叫鰭片，在鰭片上面有這種非常微小的齒狀的三維結(jié)構(gòu)，像圓錐一樣的結(jié)構(gòu)，每一個圓錐根部是200個微米，高度是在500個微米。這種錐狀的結(jié)構(gòu)，長在這種鰭片上，而整個這個鰭片還可以在肌肉的驅(qū)動下產(chǎn)生這種微微的運動。
這種運動到底會對整個的造成什么樣的影響，我們首先測量了一下活體的鮣魚，它的微動是什么情況?？梢钥吹剿梢蕴?，也可以落下，而這個抬起、落下的動作是我們通過高速相機很多次實驗捕獲出來的，整個的幅度大概在150個微米大小。但是這150個微米大小雖然量非常小，但是卻起到了很重要的作用。
我們怎么樣在機器上面實現(xiàn)這樣的運動？我們通過這種直線的、軟體的驅(qū)動器，一加這種氣壓就會發(fā)生運動，會產(chǎn)生一個直線的運動。這個直線的運動進而通過3D打印的機構(gòu)，轉(zhuǎn)化成一個轉(zhuǎn)動方面的影響，也是一個仿真的圖。
通過這樣一個機構(gòu)，我們在思考，如何將它整個的吸盤給做出來。我們目前采用的方式利用的是多材料的3D打印的方式，不同的顏色代表的是不同的硬度，從最軟到最硬，跨度大概是10的4次方，差了10000倍以上。我們相當于是在CT里面把多材料提前設置成這個樣子，然后進行一體化打印。
剛才我們講到了這種小刺的結(jié)構(gòu)，是無法用3D打印一體化打印出來的，它需要用到高精密的激光切割的方式，所以可以看到上面是生物的結(jié)構(gòu)，下面是仿生的結(jié)構(gòu)，它們從尺度大小、錐度等等，都是非常近似的。
我們?yōu)榱颂剿鬟@個科學問題，做了多個不同材料、不同結(jié)構(gòu)的實驗樣機，然后在一個實驗平臺上對它進行測量。測量的基底包括光滑、粗糙，20個微米，也包括更粗糙的200個微米，還有鯊魚皮的表面，不同的表面上面我們希望獲得不同的力的結(jié)果。
最后實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在200個微米的時候，可能能達到60倍的自身的拉力；而到了光滑的表面上，吸附力可以達到340倍。所以說從硬度上來講，能夠產(chǎn)生比較大的吸附力以及切向摩擦力，對未來的應用會有很大的幫助。
我們當時做了一個比較簡單的機器人，這個機器人能夠流向表面，緊緊地貼在這個表面上面，即使在外部干擾的情況下也不會脫落，除非它自己想要脫落，可以在鯊魚皮上實現(xiàn)一個比較穩(wěn)定的吸附?？梢韵胂窭眠@樣一個軟體的多材料的吸盤，可以讓未來的水下機器人有更多的可能性。相關的研究也是前一段時間發(fā)表在《科學機器人雜志》的封面上，同時也獲得了包括《科學》和《麻省理工科技評論》這樣的一些報道。
鮣魚是可以吸附的一個東西，主要是靠它的吸盤；但是有沒有既有吸附，又有抓持的生物？我們?nèi)プ匀唤缰腥ふ掖鸢?。答案就是章魚，章魚可以伸出自己的手臂，抓持一個目標物體，也可以抓持像鯊魚這樣比較大型的物體，或者像螃蟹這樣一個比較微小的物體，都可以實現(xiàn)抓持。
從這樣的一個東西上面獲得靈感，我們從2015年10月開始，我們和德國費斯托完成一個合作的項目，就是制作一個仿章魚觸手的軟體的機器人的樣機。從這個動態(tài)的視頻藍色的部分是我們做出來的東西，灰色的部分是基于費斯托早先的仿生大象鼻子的技術進行了一個修改，可以看到它可以抓持這種圓形的或者球形的物體，也可以實現(xiàn)抓持一杯水，然后把它倒在一個杯子里，整個的速度還是可以做到比較快的。
基于這個想法，就是軟體的章魚觸手實際上是一種仿生，直接模仿自然。但是它在抓持上面是不是最優(yōu)的，這是一個問號。所以說我們實驗室的人員在測試了不同的材料，也測試了不同的形狀之后，產(chǎn)生了另外一種抓持器，這種抓持器從實用性上來講更好，這是2015年4月份做出來的樣機，它可以安全地抓持雞蛋，抓持一只螃蟹。
