哈佛研究出基于開(kāi)源硬件和3D打印的軟體機(jī)器人

軟體機(jī)器人是一個(gè)新興機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域。它是由生物學(xué)得到啟發(fā)，利用柔性、可延展材料制成的結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的機(jī)器人。

神馬是軟體機(jī)器人?

軟體機(jī)器人是一個(gè)新興機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域。它是由生物學(xué)得到啟發(fā)，利用柔性、可延展材料制成的結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的機(jī)器人。許多動(dòng)植物都有柔性、彈性的身體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)它們所處的環(huán)境。這些天然生物系統(tǒng)啟發(fā)我們?cè)谲涹w機(jī)器人方面的發(fā)展，以此精心設(shè)計(jì)的零件幾何結(jié)構(gòu)使我們能夠?qū)��?fù)雜動(dòng)作進(jìn)行“預(yù)編程”處理——即利用了柔性彈性材料本身特性。比起傳統(tǒng)剛性機(jī)器人來(lái)說(shuō)，柔性材料制成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，搭配上智能處理使設(shè)計(jì)者們能簡(jiǎn)化處理更多復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和軟件控制。而軟體機(jī)器人天生的適應(yīng)性是它們?cè)诙鄠�(gè)領(lǐng)域任務(wù)和環(huán)境中能發(fā)揮所長(zhǎng)。比較典型的用處是，它們很適合進(jìn)行人機(jī)交互，幫助人類(lèi)進(jìn)行日�；顒�(dòng)，處理微創(chuàng)手術(shù)等。

那么神馬是軟體機(jī)器人套裝呢?

軟體機(jī)器人套裝集合了多個(gè)共享資源，用以幫助用戶(hù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建模、個(gè)性化及控制軟體機(jī)器人設(shè)備。套裝被設(shè)計(jì)為教學(xué)研究的一部分，由哈佛大學(xué)生物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室所主持。套裝的最終的目標(biāo)是拓展軟體機(jī)器人研究領(lǐng)域，使設(shè)計(jì)者和研究者們能各自進(jìn)行對(duì)此方面的研究工作。套裝包括一塊開(kāi)源流體控制板、描述各方面零件的細(xì)節(jié)性技術(shù)文檔(包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器)，以及能被下載的用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和操作的相關(guān)文檔。利用低成本原料及日益成熟的快速成型技術(shù)(例如3D打印機(jī)、激光切割機(jī)、數(shù)控機(jī)床等)，這個(gè)套裝得以將軟體機(jī)器人零件生產(chǎn)簡(jiǎn)化且經(jīng)濟(jì)下來(lái)。

在外殼結(jié)構(gòu)上，軟體機(jī)器人主要分為三層。

內(nèi)部遇到壓力，軟體機(jī)器人就會(huì)卷曲。

有了它直接就能捏碎酒瓶啦。
這里有一段視頻：
http://v.qq.com/page/b/0/a/b0138ahsy0a.html
看完這些激動(dòng)人心的片段后，小編來(lái)解說(shuō)一下它的工作原理。
首先是外形材料與結(jié)構(gòu)上的。如果一開(kāi)始就使用剛性材料，哪怕后續(xù)程序做得如何出神入化，機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)多么靈活，都不可能產(chǎn)生那么細(xì)膩的動(dòng)作。要知道，即使是人類(lèi)本身的皮肉也是柔軟的。在這方面，軟體機(jī)器人采用了布料、纖維、硅膠等廉價(jià)輕巧的材料進(jìn)行制作。而且，使用了模具后，還能快速成型。比起傳統(tǒng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)速度得到加快。在應(yīng)用方面，它能更好地模仿心臟、肌肉，制作出人工心臟、模擬人手的手套之類(lèi)的產(chǎn)品，并有著原本模仿樣本那樣的功能與力量。
接著就是變形原理。因?yàn)槭褂昧巳嵝圆牧�，就不需要關(guān)節(jié)、螺絲、齒輪這些朋克時(shí)代的東東，取而代之的是更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)——流體壓力系統(tǒng)。它的原理就像生日聚會(huì)期間人們吹的卷紙那樣，只是倒了過(guò)來(lái)——壓力增大時(shí)候卷曲，撤銷(xiāo)壓力時(shí)候恢復(fù)平整。要做到這一點(diǎn)，就靠外殼結(jié)構(gòu)上設(shè)置了不可延展部分。當(dāng)機(jī)器的外環(huán)可以延展，而內(nèi)環(huán)不可延展時(shí)，在壓力的作用下，自然會(huì)卷曲起來(lái)了。
輪到控制系統(tǒng)。配合機(jī)體上數(shù)條螺旋分布的管線(xiàn)，只要控制其中數(shù)條產(chǎn)生壓力，或制造不同管線(xiàn)之間的壓力差，就能控制出軟體機(jī)器人不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。加上壓力和動(dòng)作傳感器的幫助，它回饋的信息控制泵、閥門(mén)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)體感控制之類(lèi)的功能。附帶一提，它所用的傳感器也是柔性傳感器，軟體機(jī)器人就不會(huì)摸起來(lái)有沙粒般硌著的感覺(jué)了。

那么軟體機(jī)器人套件中主要部件到底具體有何功能?

1.氣動(dòng)彎曲網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器

這是個(gè)哈佛大學(xué)原創(chuàng)產(chǎn)品。它主要由人造橡膠所構(gòu)成，里面充滿(mǎn)了一系列氣囊和通道，在充氣放氣時(shí)產(chǎn)生收縮舒張動(dòng)作。軟體機(jī)器人膨脹規(guī)模由里面氣囊和通道所決定，當(dāng)不斷壓縮氣體時(shí)，它將達(dá)到最大尺寸限度值。當(dāng)然，設(shè)計(jì)者們可以進(jìn)行“預(yù)編程”——即改變內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)或管壁厚度，以達(dá)到自己想要的動(dòng)作。配合不同材料組合起來(lái)，動(dòng)作種類(lèi)還可以增多(就是利用了不同材料受力時(shí)的膨脹系數(shù)不同，中學(xué)時(shí)候?qū)W過(guò)的胡克定律f=kx中k的不同導(dǎo)致的結(jié)果)，產(chǎn)生諸如扭麻花、心機(jī)收縮等效果。

2.纖維驅(qū)動(dòng)器

這也是哈佛大學(xué)原創(chuàng)產(chǎn)品，目的是將橡膠氣囊收束限制在一定形狀，里層的材料就像氣球，當(dāng)壓入氣體時(shí)，它會(huì)盡可能向周?chē)�膨脹。而�?dāng)加上纖維支架后，它只能橫向膨脹，不再是毫無(wú)目的地延伸。當(dāng)加上上面提到的不同膨脹系數(shù)材料作為底板時(shí)，就能產(chǎn)生卷曲扭曲的效果了。

在對(duì)比兩種驅(qū)動(dòng)功能上，它們各有千秋。動(dòng)作上，纖維驅(qū)動(dòng)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)之間縫隙細(xì)密，等于有了類(lèi)似關(guān)節(jié)的效果，做出的動(dòng)作就比較多樣，而氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)只能完成單一整體的動(dòng)作，對(duì)分段動(dòng)作無(wú)力。但是，制作這樣的纖維驅(qū)動(dòng)器工序卻比氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器麻煩。同樣在3D打印的條件下，后者不需要一小時(shí)就能制作完成，而前者卻需長(zhǎng)達(dá)五天，且要?jiǎng)佑?個(gè)模具。

3.氣動(dòng)人造肌肉

McKibben氣動(dòng)肌肉早在1950年代已被發(fā)明出來(lái)，用于醫(yī)療矯治用途。重量輕巧，制作容易，自我限制(就是有最大收縮尺寸)，還有和人類(lèi)相似的肌肉彎曲曲線(xiàn)。結(jié)構(gòu)上，在編制而成的網(wǎng)眼中有可膨脹支架或管道，兩端都被封住。當(dāng)內(nèi)部支架充氣膨脹時(shí)，外圍的結(jié)構(gòu)就能將周?chē)�輻射狀的膨脹方向收束到線(xiàn)性膨脹方式。

人造肌肉能有最大25%的延展率，有些特殊型號(hào)甚至能到40%。盡管設(shè)計(jì)上它們被用作延伸用途，但實(shí)際上用處不大，這容易造成肌肉變形彎曲。(就是機(jī)械疲勞了)
4.SDM手指

層積成型技術(shù)(SDM)是一種快速原型生產(chǎn)方式，它將所有元件在加工件上同時(shí)一起裝入，使用包括鉆洞、鑲嵌等工序。在這里，它一次將所有傳感器、電機(jī)、支撐物等組合成型。這樣制作出來(lái)的機(jī)械手指，擁有廣闊的使用領(lǐng)域和動(dòng)作流暢性，能完成諸如拾起籃球、用鑰匙開(kāi)門(mén)之類(lèi)的動(dòng)作。
5.介電彈性體致動(dòng)器

6.EGaIn傳感器

這些傳感器利用液態(tài)金屬(銦鎵共晶合金，又稱(chēng)EGaIn)在可變形的微管道內(nèi)的形變數(shù)據(jù)工作。在變形時(shí)，幾何結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致其電阻變化。(就是中學(xué)物理說(shuō)過(guò)的，導(dǎo)體越粗越短則電阻越小，而液態(tài)金屬可以變形，具有可塑性。)得到電阻變化的數(shù)據(jù)，就能計(jì)算得知軟體機(jī)器人形變的狀態(tài)。

7.TakkTile傳感器

TakkTile傳感器價(jià)格不貴，敏感度高，容易制作，工作原理基于微電子氣壓計(jì)，有一封閉的氣室承受到壓力而產(chǎn)生信號(hào)。它能探知從一到幾十克的碰觸壓力，而且容易嵌套進(jìn)橡膠結(jié)構(gòu)內(nèi)。高級(jí)的TakkTile傳感器甚至能承受高達(dá)25磅(11千克左右)的壓力。

8.流體控制板

軟體機(jī)器人的流體控制板是開(kāi)源的，能夠控制氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和纖維驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)部件主要用于教學(xué)用途，使學(xué)生們很快能上手控制軟體機(jī)器人的動(dòng)作。
控制板包括一個(gè)泵(泵入或泵出流體)和一套螺線(xiàn)管閥門(mén)(用來(lái)開(kāi)關(guān)控制流入系統(tǒng)內(nèi)的流體)。控制板可手動(dòng)控制(就是開(kāi)啟開(kāi)關(guān)和閥門(mén))或利用Arduino控制器來(lái)自動(dòng)編程控制。

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