深度剖析軟體機器人！中國首篇《科學》機器人子刊北航文力

9月28日，機器人大講堂邀請北京航空航天大學傑出青年學者文力老師為大家帶來軟體機器人的研究報告。大講堂的老粉對文力老師可能並不陌生，這位年輕有為的北航副教授，今年九月份剛剛在《Science Robotics》上發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彙報吸引了不少學校學生以及產業界的同仁廣泛關注，為方便大家學習，現將文力老師的報告內容整理如下（略有刪減修改）：

什麼是軟體機器人

首先我們看一下軟體機器人的定義，什麼是軟體機器人？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，處於這個頻譜右端的材料是剛性材料，硬如像鑽石是最硬的一類材料；到左邊像水凝膠或者像我們人類的脂肪是軟性材料。它們的硬度差了大概10的9次方之多。

中間有一條線，楊氏模量是1GPa，1GPa是什麼概念呢？就是相當於我們的肌腱，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。靠剛性的那一端主要是組成了傳統的剛性機器人的核心部件，比如說鉸鏈、減速器，比如電動機、螺釘等等。

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，麻省理工人工智慧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生的

我們看一下這個軟體機器人到底是什麼時候產生、怎麼產生，以及它總體的一個發展趨勢是什麼樣的。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表了一篇文章，隔年又在《科學》雜誌發表了一篇文章，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。

隨著研究的快速發展，逐步地到了向多材料發展，就是上邊最右邊這個圖，通過3D列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的響應材料加入到了硅膠材料當中，讓它能夠對外部的應力。就是當它拉它、卷它的時候，它的內部的液體會產生一部分的變化，比如光強以及感測的輸出會發生變化，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》雜誌上面發表了一篇很有名的文章，用液體化的3D列印，把所有的驅動、感測、甚至控制器都列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，產生有規律的、節律的運動。

右下角這個圖是科研人員將培養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生波動。

所以從2011年到2017年，這七年的時間內，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，最後有可能到生物材料，這是一個發展的趨勢。所以從這個趨勢結合起來講，未來的發展方向一定是它結合驅動、感測、變剛度、多功能的複合材料，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新方面的一個主要的發展趨勢。

軟體機器人用來幹什麼

那麼這個軟體機器人用於幹什麼？首先第一個是用於抓持作業，這個抓持作業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；中間的這個是北航的氣動軟體抓持器，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於抓持作業，抓持作業就是相當於物品分解或者是抓持形狀不一、大小不等的物體時發揮它的優勢。

課件中的視頻用小動圖代替

下面給大家看一個視頻，尊重一下最早的一批（2010年）軟體機器人的開拓者或者說是先驅，通過動畫片裡面機器貓的手，一個類似於圓形的東西，能夠包裹住被抓的物體。它的原理，一抽氣所有的沙子就會聚集，然後就會變硬，把物體包覆在裡面，同時變硬；然後把這個物體包覆住了，當它再往裡面充氣，沙子變鬆了之後，就完成了放置，這樣循環往複，完成抓持與放置的作業。

第二類的應用需求是在於醫療、康復與微創，醫療康復包括上肢的軟體的康復訓練，以及下肢的康復或者助力；同時也包括了軟體的微創手術這個方面，它也可以發揮一定的作用。

在康復上面它大概是什麼樣子呢？一個中風的患者，一旦中風之後，他很難去拿捏一個東西。但是當他戴了一個外部的手套，這是一個軟體的驅動器，把軟體驅動器做在手套上面，就可以被動地帶動這個手指完成某些既定的運動。它跟手的一個安全的交互，保證了整個人機交互的安全性，這是由於軟體驅動器自身的優勢所帶來的。

在座的有很多同學，有很多是博士生，你們要發論文，產業界也可以看一些這樣的論文，來引導產業的方向。軟體機器人的發展是非常快的，是當今機器人領域裡面最重要、最前沿的一個方向，主要是從兩個方面，就是基本的《Nature》和《Science》雜誌的論文，2012年到2017年發表的論文數遠遠超過了前十年或者前幾十年的論文數量，今年可能是10篇左右都是關於軟體機器人的。而軟體機器人還專門成立了一個雜誌，就叫《軟體機器人》，它的影響力也是機器人裡面排名第一位的，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，為什麼軟體機器人能產生這麼多有影響力或者說是比較原創的工作呢？我總結了一下，就是它源於幾個重要的因素。第一個方面，就是由於以3D列印、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當中，所以一下讓機器人這個行業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列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列印、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

下面我講一講我們實驗室做出來的一些東西，第一個是鯊魚皮，我不打算深入講我怎麼去做這個鯊魚皮的，而是我講一個簡單的故事，就是我們怎麼從鯊魚皮引導出後面的章魚觸手、鮣魚吸盤等一系列的研究的。

2012年我在哈佛做3D列印的鯊魚皮時，利用多材料的3D列印，把硬質的鱗片列印到了柔性的機體上面。在這個研究之後，我想在網上搜索一張鯊魚的圖片，但是很有意思的是，所有的鯊魚圖片上面都發現貼了這麼一個小的東西，這個小的東西是什麼？我當時不太清楚，所以我就在Google裡面查詢相關的資料。後來就發現這個東西是鮣魚，這個鮣魚的吸盤可以產生很大的摩擦力，鮣魚可以快速地吸附在多種海洋生物上，而造成這種吸附的原因就是剛才看到的那個奇特的吸盤。

所以我們腦子裡浮現出三個主要的問題，一個是這個吸盤關鍵的形態特徵是什麼？第二個是從機器人的角度怎麼樣加工製造，以及驅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現是什麼？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構非常奇特，有不同尺度，從微尺度到宏觀尺度，由硬質材料、軟材料組成的。

鮣魚頭部的骨質結構和柔性結構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。但是我們在加工之前還是要搞清楚它的特徵什麼，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構，我們叫鰭片，在鰭片上面有這種非常微小的齒狀的三維結構，像圓錐一樣的結構，每一個圓錐根部是200個微米，高度是在500個微米。這種錐狀的結構，長在這種鰭片上，而整個這個鰭片還可以在肌肉的驅動下產生這種微微的運動。

這種運動到底會對整個的造成什麼樣的影響，我們首先測量了一下活體的鮣魚，它的微動是什麼情況。可以看到它可以抬起，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。

我們怎麼樣在機器上面實現這樣的運動？我們通過這種直線的、軟體的驅動器，一加這種氣壓就會發生運動，會產生一個直線的運動。這個直線的運動進而通過3D列印的機構，轉化成一個轉動方面的影響，也是一個模擬的圖。

通過這樣一個機構，我們在思考，如何將它整個的吸盤給做出來。我們目前採用的方式利用的是多材料的3D列印的方式，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。我們相當於是在CT裡面把多材料提前設置成這個樣子，然後進行一體化列印。

剛才我們講到了這種小刺的結構，是無法用3D列印一體化列印出來的，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構，下面是仿生的結構，它們從尺度大小、錐度等等，都是非常近似的。

我們為了探索這個科學問題，做了多個不同材料、不同結構的實驗樣機，然後在一個實驗平台上對它進行測量。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果。

最後實驗結果發現，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一個比較穩定的吸附。可以想像利用這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表在《科學機器人雜誌》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？我們去自然界中去尋找答案。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，就是製作一個仿章魚觸手的軟體的機器人的樣機。從這個動態的視頻藍色的部分是我們做出來的東西，灰色的部分是基於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，也可以實現抓持一杯水，然後把它倒在一個杯子里，整個的速度還是可以做到比較快的。

基於這個想法，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後，產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，抓持一隻螃蟹。

剛性機器人的感測和軟體機器人的感測是不一樣的，因為剛性機器人的感測可能是一個IMU，可能是一個小的電路板；但是軟體機器人需要一個不同的東西，最好是液體，或者說是非常流動性、軟的東西。我們決定將這種液態的金屬與軟體機器人進行一個結合。左邊這個視頻大多數同學都見過，這是我小時候最喜歡的一個視頻，叫《終結者2》，無數個小的液態金屬的液滴能夠自組裝。

正如它的優勢所說，它是沒有驅動機構，具有多種的功能屬性，包括感測、自修復、自組裝等等。而軟體機器人所具有的自修復的低成本，以及安全柔性交互這方面，這兩者如果結合在一起，可以產生很多的東西。比如說液態金屬第一點，就是它對溫度非常敏感，可以看到在室溫下面，它是處於剛性態，可以搭載一定的重量，比如說到300克；但是一旦加熱的情況下，它立馬變成了液態。

基於這樣的一個基本的想法，我們就開始逐步地加入了軟體，黃色的這個基本的軟體驅動層，是由硅膠組成的；逐步地加入了軟體的感測層、加熱層，通過多個加熱段實現一個拼接，可以達到一個什麼效果呢？這個是通過加熱，7秒鐘之內可以融化。融化之後，金屬就會成為一個液態，而沒有融化的地方是呈固態，通過這樣一個簡單的方式，就可以實現固態與液態共存的一個狀態。

這樣的一個狀態可以用來什麼實現什麼樣的效果？這是一個軟體驅動器，裡面可以通過加入液態金屬，同時選擇性地加熱不同段，可以實現多個自由運動，可以模擬一個人的手指。可以看到它就加入了一個氣壓，但是它可以實現多種運動，同時多種運動的時候，它的信息可以被反饋回來。

我們並不僅僅滿足於一個抓手，我們進一步考慮的是能不能模擬人的手臂，或者模擬一個章魚的手臂，就是將多個三維運動的模塊拼接在一起，通過這樣的模塊拼接，可以實現一個什麼樣的效果呢？這樣一個軟體臂未來有什麼用？未來的用處就是，我們在大連進行了一個初步的水下的抓持，這是在水下10米抓持一個活的海參，通過在外部視覺的導航下找到目標物體，然後將目標物體抓到對應的筐裡面。這次一共抓了兩隻海參、兩個海膽，以及幾個扇貝，雖然還有待於進一步提高，但是未來長遠的發展，我們一方面希望替代潛水員一些危險的工作，另一方面希望為國家的發展做一些自己的貢獻。