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2020-03-31
受象鼻启发，哈工大新型“柔性机器人”能否撬动这个780亿市场？
随着柔性机器人的迅速发展，人们越来越意识到，冰冷、僵硬只是我们对机器人的刻板印象。近年来，有不少研究团队受猫狗、蛇、章鱼等动物的启发，设计出多种形态的柔性机器人。这一次，哈工大研究团队受到了象鼻的启发，设计了新型的柔性机器人。
近日，国际着名期刊 Soft Robotics 刊登了哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与美国马里兰大学 Norman M. Wereley 教授团队的共同研究成果，题为 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻启发的新型弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉）。
哈尔滨工业大学是我国最早开展机器人技术研究的高校之一，也是我国第一台电焊机器人、弧焊机器人、爬壁机器人、空间机器人、月球车的诞生地，在机器人技术研究方面处于领先地位。
据报道，此次哈工大冷劲松教授研究团队受到了象鼻的启发，在研究上又有了新发现，设计了新型的柔性机器人——新型弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉。
人造肌肉
在该研究中，「气动人工肌肉」是一个核心元素。
据了解，气动人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一种。人造肌肉即电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，是根据生物学原理由缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸这 3 种氨基酸按一定顺序排列构成，可在外加电场下通过内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，非常接近生物的肌肉纤维。
而气动人工肌肉，从字面意思上理解就是，由外部的压缩空气驱动进行推拉动作的人造肌肉，具有柔顺性、轻量性、绿色性等优势。这一材料重量轻（最小仅为 10g），却能提供很大的力量，用“四两拨千斤”来形容它再合适不过了。
实际上，由于具有与生物肌肉纤维相似的仿生编织结构、与骨骼肌相似的特性，气动人工肌肉在软体仿生机器人、变刚度静水骨骼等领域都得到了广泛的应用。此外，这类材料在医学、机器人、军事、航天、光学等领域都发挥着重要作用，具有巨大的商业潜力。
早在 20 世纪 40 年代，科研人员就开始对这一领域进行研究。2019 年 7 月，MIT 科研团队还在 Science 发表论文，介绍了他们利用 2 种热膨胀系数不同的聚合物材料高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体制成的新型人造肌肉，这种人造肌肉一经加热，便可自由伸缩，提起比其自身重 650 倍的物体。这一研究也登上了当期 Science 封面。
【气动人工肌肉 图源百度百科】
“仿象鼻”柔性机器人
近年来，曾有不少研究团队受花瓣、猎鹰、蛇、鸽子、鱼、兔子等等的启发，设计出多种形态的柔性机器人。而此次哈工大研究团队受到象鼻的启发，设计了新型的柔性机器人。
研究团队指出，气动人工肌肉运动在一定程度上仅局限于单轴收缩和拉伸，这也限制了其发展。
为此，该团队在可伸展/收缩的气动人工肌肉的基础上设计了新型的弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。
根据论文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、弹性管、编织管和嵌入式柔性框架组成（如下图）。
当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀时，将产生绕轴的弯曲、旋转运动，使致动器产生螺旋变形，类似我们曾在动物园见过的象鼻弯曲旋转的运动过程。
而区分伸展还是收缩，主要取决于「编织角度」——编织角度 > 54.74 度时为 HE-PAMs（下图 i）；编织角度 < 54.74 度时为 HC-PAMs（下图 ii）。
在此基础之上，研究团队通过一个仿象鼻的高自由度柔性臂来探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性机器人领域的潜在应用。研究人员表示，HC-PAMs 输出、负载能力很强，而 HE-PAMs 可产生更多的变形。
值得一提的是，这一研究提出了统一的理论方法，将会为其他研究人员提供可靠的参考——该团队通过实验、分析，建立了气动人工肌肉的广义弯曲行为模型，并在相同的理论框架下研究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性。
据了解，轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉可以广泛地应用于各个方向，比如软体分类机器人、搜索机器人、生物机器人、运动辅助外骨骼、力反馈可穿戴设备等等。
提升人机互动性的柔性机器人
实际上，人造肌肉材料已成为当今研究的前沿和热门，这与人们对柔性机器人领域越来越多的关注密不可分。
捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在其科幻小说中，根据 Robota（捷克文“劳役、苦工”）和 Robotnik（波兰文“工人”），创造出“机器人”一词。100 年后，机器人不再只是僵硬、冰冷的机器，柔性机器人正进入我们的视野，工业柔性机器人和生物柔性机器人是其主要的 2 个分支。
柔性机器人可具备的特性包括材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性，以及良好的人机互动性。正如香港科技大学机器人研究院院长、机械及航空航天工程学系教授王煜在 2018 年世界机器人大会上所说：
相较于刚体材料而言，软体材料互动性好很多，如果用软体材料做出新的机器人，可能会开拓出新的应用领域。
不过，想要完美地同时兼具上述几种特性，还有很多技术上的难题，目前研究人员们也正在寻求一个突破口，比如中国科学院理化技术研究所研究员、清华大学教授刘静团队考虑了室温液态金属在柔性机器人领域的应用；MIT 研究人员曾用 3D 打印、液压驱动的方式驱动机器人运动。
应用前景
当前，全球机器人市场规模持续扩大，机器人产业正稳步增长。据相关报告，2019年全球机器人市场规模达到294.1亿美元，2014～2019年全球机器人市场的平均增长率约为12.3%。业内人士预测，中国将成为全球最大的机器人应用市场，预计在2030年产业规模将达到260亿美元，占到全球1/3。也就是说，预计在2030年全球机器人产业规模将达到780亿美元。
在巨大的市场前景下，不少企业、高校等研发团队研发相关产品。而柔性机器人具备材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性，能够破除传统机器人关节的僵硬和材料的刚强，有着更为良好的人机互动性，或将成为未来商业运用的主流趋势之一。极智嘉联合创始人兼CTO李洪波曾表示，柔性机器人系统蕴含着巨大市场潜力，将会在智慧物流、智能制造、以及大家所能想象到的商业环境里，得到广泛的应用。
目前，柔性机器人主要的商用场景为工业和医疗。其中，医疗领域是柔性机器人典型性和商业度较高的应用领域，潜力空间估值接近75亿美元。
在医疗机器人的柔性化运用中，手术机器人的临床性和产业化程度是当前发展最快的。柔性化的医疗机器人能够进入人体四处移动，提供照明，成为医生的眼睛，甚至可以绕过想要避开的区域。而着名的达芬奇手术机器人，代表了柔性机器人在该领域的一定水平，其可自由运动的手臂腕部、3D高清影像技术、主控台的人机交互设计这三个关键核心技术，分别对应了柔性机器的机器感知、机器行动和人机交互，可协助医生在有限的狭窄空间工作，手术操作更精确。
对于工业领域的柔性机器人应用来说，随着研发水平不断提升、工艺设计不断创新以及新材料相继投入使用，工业机器人的类人精细化操作能力不断增强。如日本爱普生首款新型折叠手臂六轴机器人，可在现有同级别机械臂60%的工位空间内完成灵活操作，采用内部走线设计，自然进入高层设备、机器、架子等狭窄空间，避免了在设置和维护过程中进行复杂的布线，大大提高了成本效率并保持较低的总运行成本。
随着机器人逐步应用到各种实际应用场景，机器人产业轻型化、柔性化、智能化的趋势日益明显。此次哈工大以象鼻为启发而建立的气动人工肌肉的广义弯曲行为模型，拓展了柔性机器人更多的可能性。由此可见，未来机器人将越来越灵巧、安全，且形式更多样化，应用范畴也更广。
关于作者
据了解，论文通讯作者为哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所博士生导师冷劲松教授。
【图源百度百科】
1992 年起，冷劲松教授开始在哈工大开展智能材料系统和结构的研究，主要研究方向包括智能材料系统和结构系统、光纤传感器、结构健康监控、复合材料结构设计和工艺技术、可变翼飞行器、结构振动主动控制、光纤通讯和微波光电子器件、微机电系统等等。
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