如何制造一个完美的机器人

马迪

对一个80后来说，提起机器人，我第一个想到的就是变形金刚，像擎天柱、威震天、大黄蜂那样，既灵活可变，又钢筋铁骨。到后来的终结者、机械公敌、瓦力……这些银幕上的机器人形象，无一不是响当当、硬邦邦的。直到2015年，全世界认识了《超能陆战队》中的大白。这个充气医疗机器人有着圆润的线条，像是一只超大号的气球，柔软又温暖。

这不禁令人思索，机器人真的只能是坚硬结实的吗？或者说，如果不使用金属，我们还能造出机器人来吗？答案是肯定的。

其实，从本世纪初开始，研究者一直在寻求使用较软的材料（而不是常见的金属和塑料）来制造机器人。“软体机器人”领域，目标是创造更有弹性、可塑性和安全性的产品。同传统机器人相比，它们灵活、适应性强，能更好地适应各种环境，承担更大的冲击力，有望在医疗、军事、地质等多个领域发挥作用。

为了设计真正的软体机器人，研究人员煞费苦心。大自然是最好的设计师，既柔软又强壮的章鱼成了“首席模特”。章鱼没有内外骨骼，八只爪子能灵活地伸向各个方向，能紧紧地缠绕物体，能自由伸长或缩短，它甚至还拥有很高的智商—相比于其他的软体动物，章鱼的大脑和神经系统发展的更为完善—当然，机器人设计者更关心的是章鱼的身体。

来自哈佛大学的Octobot（章鱼机器人）就是世界上第一部真正意义上的软体机器人。它的名字取自章鱼的octopus和机器人robot，一眼就能看出其章鱼的属性。它的外形也酷似章鱼，只有手掌大小，全身由柔软的硅胶构成，整体呈现半透明甚至完全透明。这样一目了然、看不见一星半点的螺丝弹簧的机器人，究竟是怎么动起来的呢？

事实上，软体机器人的设计过程中，最困难的部分就是如何使用软质部件来替换硬质的电池和电子控制系统等部件。在此之前的软体机器人都有同样的问题：虽然肢体柔软，但“心”仍然是硬的—控制系统仍然用常规泵阀，驱动系统也仍然要用刚性连接，并没有做到完全的柔软、灵活。

Octobot就不一样了，它全身没有任何硬质部件，不仅躯干，连控制系统和动力系统也使用柔性材料。Octobot属于气动式机器人，它的动力来自于一种常见的液体燃料—50%浓度的过氧化氢溶液。在铂的催化下，燃料快速生成大量的水和氧气，膨胀并增加通道内的压强，机械臂因此舒展。和一般的电子回路相比，Octobot的回路中传递的不是电子，而是液体和气体。

更妙的是，Octobot可以自主完成一系列动作（当然，动作还很简单）。也就是说，它是真正的自主机器人—能够进行很好的自我反馈、自我调整，按照“设定程序”去活动。

Octobot的“大脑”是一个柔性微流体回路。当其中的压强加大时，就会打开一些微阀门，关上另一些微阀门，令四条腕足充满氧气；压强降低则逆转这个过程，系统切换，另外四条腕足也发生同样的变形运动。就这样系统不断切换，机器人的腕足就交替地动起来了。

但目前而言，Octobot还不是一件成熟的产品。添加一次燃料（1毫升）只能维持它大约4-8分钟的动力，自主运动模式也比较单一，还无法实现自主转向。研究者也承认：“我们需要解决的问题是，如何对机器人重新编程，让其执行不同的运动并对环境做出反应，而不仅仅是执行预编程的指令。”

也就是说，Octobot目前只是一种技术的展示，并没有实际用途。也许你会认为，这样概念性的软体机器人并没有什么用。的确，软体机器人的结构和材料是非线性的，且拥有更高的自由度，这意味着动作更复杂，对算法和控制系统的要求更高。这将耗费几代人的心血。但换个角度想，一旦将软性材料的研究提高到一定程度，软硬材料结合便能创造出近乎完美的机器人了—一种更稳定、更敏捷、更近似于人的机器人。

如果想要研制出和人类更接近的机器人，对软体机器人的研究不可或缺。人体85%都是柔软柔韧的软组织，许多能力都依赖于这种“软”。比如想要握住一只玻璃杯，我们的手指会适应杯子的形状，如果手指毫无弹性，抓住这个玻璃杯难度显然会大得多。因此，机器人能在多大程度上模仿人和人的行为，软性材料的研究至关重要。

随着3D打印技术的发展，科学家欣喜地发现，软体机器人的时代似乎终于到来了。前文提到的Octobot，就是靠3D打印技术制成，并且价格低廉—单个Octobot 所用的全部材料加起来还不到3美元。成本之低廉令人意想不到，这也将大大降低机器人的制造成本。

软体机器人对于人类未来生活的作用将是巨大的，它将能做很多刚性机器人无法做到的事情，例如进入极狭小、极曲折的复杂空间，照顾最柔弱的生命体等等。研发软体机器人是该领域的一个必然趋势，但是不管什么时候，软体机器人都不能完全取代刚性机器人。只要两种技术相辅相成，打造完美的机器人也就不再遥远了。