机器人太“硬”了？软体机器人了解一下

雷锋网注：王煜，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。于2015年加入香港科技大学，之前曾在美国马里兰大学，香港中文大学和新加坡国立大学工程学院任教。目前担任IEEE自动化科学与工程杂志高级主编、IEEE机器人与自动化杂志和ASME制造科学与工程学报副主编。

以下为王煜教授在2018世界机器人大会上的演讲内容，雷锋网编辑做了不改变原意的编辑整理：

刚体机器人成熟的理论体系及其存在的问题

美国十多年来一直都有研究和更新机器人的发展路线图。其中也提到了很多问题，比较突出的有两个问题：第一，机械手的灵巧性和操作性；第二，新型机械手或其它机器人如何能够更接近人的操作性能和功能。这两个问题在之前更新的路线图中都有提到，并且也讲了其发展方向。但是随着时间的推移，我们可以看到，现在机械手及机器人的发展方向仍然不明确，最近几年发展路线有很多，而且各不相同。

上图显示了如果要做灵巧的机械手，通过传统刚体机器人的做法可以有怎样的发展。刚体机器人在过去几十年里一直被作为主要研究路线，这种机器人研究体系已经十分成熟，其中工业机器人的应用也得到了全面的发展和推广。按照同样的方式做与人体互动的机器人，或用到更特殊环境下的机器人，我们发现做出来的机器人并不完全适用。例如做辅助人走路或其他行动能力的机器人，可以发现这是一个很庞大的刚体机器人，显然会存在很大的局限性。

从学术和应用的角度回顾过去机器人的发展，尤其是工业机器人得到了辉煌的发展，它所依赖的是系统性的技术，主要是刚体机器人整个技术体系。通过机械原理构建一个机器，这个机器能够运动，再从刚体理论中把刚体去掉，换成真正的结构性材料，再把动力和驱动装置放进去（基本上都是电机驱动），最终形成由传感到控制的完整系统，也就是机器人。

从运动学的角度来看，1876年德国工程师勒洛就把机械原理（即刚体运动学）彻底理顺，然后写进《机械运动学》一书中。从蒸汽机发明以后，机器人的发展和机器的发展都依赖于刚体运动学的基础，然后把驱动、传感和控制完全建立起来，最终形成一个系统，使得今天有各式各样的自动化机器，包括汽车、火车，以及工业机器人，建立系统地做机器研究或机器生产的理论，这套理论已经非常成熟了。

软体材料及软体机器人的需求

如果想让机器人做更多的事情，尤其是和环境或人类进行互动，我们就会发现一个严峻的问题—— 刚体机器人在马达的驱动下惯性非常大，接触到外界就会发生强烈的冲击，可能会造成不安全，刚体和软体的环境互动也并不容易控制。 因而，很难用传统的刚体机器人做出新一类超出工业机器人需求的机器人。  

我们希望机器人能够和环境、人直接交互，也希望这类机器人能够有传感和直接通信能力，这种机器人会为人类带来很大的帮助，包括康复、协助老人。但是 刚体交互性并不好，而且马达驱动工作时，控制好马达以得到柔性的驱动及互动很难，因为马达的功率一般都很大，现在不能做到那么低功率的柔性控制。

我们需要思考能否找到其它方式，自然会想到人体。人体虽然有骨骼结构，但其外侧有肌肉和皮肤（软体）作为与外界交互最主要的界面，而不是骨头直接与外界交互。我们想到改变刚体机器人框架，换成其他材料做的新机器人，也就是用软体材料。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。

软体机器人的尝试工作

从人体角度来看，我们肌肉的弹性系数基本上和橡胶硅差不多，如果用橡胶硅来做软体机器人，从弹性的角度来看应该和人体差不多，于是我们开始尝试用软塑料一类的材料来做机器人，软体机器人就此开始变成一种新的想法。实际上这项工作还是相对比较新的， 直到2012年左右，美国有几位教授用气枪为塑胶通气，能够做出爬、跳等动作的软体机器人，可以做到我们所要的软体机器人性能。 有了这些前沿性、探索性的工作后，大家开始清楚看到软体机器人的市场前景，例如 可以用来做医疗机器人、机穿戴机器人和器人玩具。

当然，我们还需要其它技术，比如传感技术和驱动技术，需要柔性的传感器，也需要柔性的驱动器。柔性传感器的材料已经有人做过一些研究，但做柔性驱动器就很难了。现在市场上大家有很多的猜想，比如飞机的机翼不是现在的固定机翼，而是柔性的、可变形的机翼，如果做得好的话，相对空气动力学性能会更好，所以也会有更多其它的用处。随着3D打印技术的兴起，有可能出现更复杂的软体机器人材料。

软体机器人发展的关键问题

软体机器人的发展需要仔细考虑以下几个问题：

1）从学术角度来看，既然做软体机器人就需要软体材料，也会给你柔性互动的本体，里面可能有刚体，也有可能有像人一样的骨骼，刚体之间也有可能产生运动，我们在其中加入铰链机制；

2）软体当中可以加入一些分布性的驱动器和传感器，因为有分布性的软体，如果有分布性的驱动器和传感器，柔性机器人的性能就会变得更好；

3）只有刚体骨架作为传感，外面的肉体是被动的皮肤和肌肉，互动性会低一点。

总体来讲，从学术角度来看，我们要把软体机器人看作和人一样的结构。其中会有很多问题，比如怎样做这些东西，最终还要看它能够给你的功能和性能。我们需要知道它的运动是手、是脚，还是车子，要看最终结构做成什么样。如果是一个手，我们就需要设计手指，让手指抓取物体；如果是一个驱动，就要做成脚。 软体的部分需要包含在机器人的设计、传感和控制整体的框架当中，现在基本上没有很好的运动学理论，实际应用中仍然是把刚体运动学搬到柔性体当中。

个人觉得我们需要从最基础的角度来看软体机器人，主要有三大问题：

1） 如何定义柔性系统（软体机器人系统）。 机器人毕竟是要做运动的，刚体运动学通过机械原理可以解决，软体相关运动理论现在还没有。

2） 如何设计/控制柔性系统 。 我们不可能用铰链和传感，如何从软体机器人当中产生运动，以及更复杂的怎么控制运动。控制便成了非常麻烦的事情，因为有无穷多的自由度，要看怎么驱动软体机器人系统，最终怎么做到很好的控制。

3） 柔性系统制造的材料问题。 今天我们遇到最主要的问题就是软体机器人的材料的问题，材料给了我们很大的局限性，我们没有很好的软体材料真正来做最终想要做的软体结构。 

软体机器人系统

上图是软体机器人系统，如果上面有软体机器人的结构，需要有设计方法，然后要有模型，产生动态方程，最终可能有局限性的传感，不是每个自由度都有传感，然后用传感系统来做控制，从而产生控制系统。其中最难的是要看什么设计、什么架构能够产生人类需要的软体机器人，软体机器人需要完成什么任务，怎么去实现这些任务，因而需要做运动规划或任务规划，然后再加上具体的动态系统，产生合适的控制，最终才能设计出实用的软体机器人。

理论上来讲，需要解决的就是这些大框架问题，但认真做起来就不是那么容易了。不过已经有人在虚拟空间中解决了这些问题。做计算机图形的工程师已经想到了这些问题，并做出了一个虚拟的软体机器人，它的性能完全是你需要的。其中，上面是一块很软的材料，下面有四条腿，如果有理想驱动器就能实现跳动。

这个软体机器人在虚拟环境当中完全能够实现平衡和跳动，以及做各种其它动作。从仿真角度来讲，理想系统中的软体机器人已经实现了。但是模型是理想的模型，材料可能是线性的或非线性的，驱动能够产生力，控制系统当中的控制方程和控制方法都解决了，加上仿生设计和运动规划、任务规划都是用传统的机器人设计方法解决的，这种理想的、模拟的图形学软体机器人并没有变成现实。变成现实仍需要找到材料、驱动器和传感器，都要和模型完全匹配，这在现在来说仍然无法实现。

软体机器人的市场潜力

虽然软体机器人在医疗、国防和急救领域有需求，但是真正最大的市场还是玩具，而且对行业最感兴趣的还是迪士尼，迪士尼投入了很多资金，但仍然很难实现。要找到一个合适的非线性模型，能够把这些软体材料描述得很确切很难；如果非线性更强的话，做控制和其它设计也很难。

现在大家非常期待的是通过3D打印来寻找适用于软体机器人的材料。3D打印的迅速发展给我们带来了一些机遇，我们可以把不同性能的材料混合起来使用，最终通过3D打印得到比较复杂的柔性系统（例如机械手指和机械腿）。我们做的3D打印的手指可以用来抓苹果、抓鸡蛋、抓豆腐，但真正用起来就会有严重的问题。现在这种利用3D打印实现的柔性手指还是很柔软，抓起物体快速移动时，发现手指会抖动，也就是没有刚性。又要柔又要刚，所以就有性能变刚度，这种性能在柔性机构或者机器人中还是非常有限的，这也是一个比较严峻的问题。

软体材料的需求

平常机器人用的基本都是马达、气动或液压，因为这是传统大功率机器的驱动动力，要是应用到软体机器人的话，我们自然希望用软体的材料作为驱动器。最关键的软体材料就是压电塑性材料，这类材料有点像硅胶，通电后会扩展和延伸，例如，最简单的驱动器就是做一个气球，气球加了气压后会膨胀，膨胀会带来动能，也就被认为可以作为驱动器。

原来的想法就是把这些驱动器做得很好，然后分布性地放到软体机器人结构中，每个驱动器都可以独立控制，这样就有分布性控制来做驱动，性能也会好得多，但是做起来并不容易。最近的做法是做成一个队列，驱动的时候会产生一些波，最终可能会带来各种效果，我们做的就是类似踢足球的东西。通过这种驱动器做到最好的效果也不过如此了，至多是驱动一条很小的鱼尾巴，抖动大概有4-5赫兹，频率也不会太高，力也不会太大，无非就是变形比较大。

现在行业当中对软体机器人来讲，驱动材料是很大的瓶颈，气体驱动、液体驱动和压电驱动效果都不是很好，怎么才能有很好的驱动器才能帮助软体机器人的发展，这也是个很严峻的问题。

软体机器人发展三大关键问题

说到最后，现在来看仍然没有一个路线图能够把软体机器人怎么发展理顺，实际上存在三大问题： 机械运动原理、刚性结构、驱动和反馈。 最终要有理论帮助设计，还要有理论帮助来做任务规划和路径规划。 因为材料的局限性太严重，驱动的可行性太小，设计的方法基本上没有，所以现在大家能够做的就是做案例分享，想到好的办法就做好拿出来给大家看，把可行性向前推进一步。 软体机器人要越来越多，小问题都有多多少少的进展，慢慢地这些成功的案例和经验能够融合在一起，使得软体机器人在理论上有所发展。更重要的是要有适合做软体机器人的材料，才有可能给我们提供更好的空间，更适合软体机器人发展。

今天有很多做塑性材料的公司，但对软体材料基本不理解，认为我们没有市场，因为我们需要几公斤就够了，他们需要看到的是几百万吨需要的材料，没有那么大的规模，这些做塑性材料的公司不会在短期内帮我们的忙。个人认为前景应该是很好的，但道路还是比较漫长的。

采访精选：材料仍是困难，市场看好医疗和玩具

雷锋网 (公众号：雷锋网) 编辑在大会上采访了王煜教授，就软体机器人的发展困境和市场应用，王煜教授给出了自己的见解。

• 软体机器人现在发展到哪一个阶段？

每一个技术的发展都有一定的背景。 第一它要有需求，第二个要有相应的技术可行性。 为什么30年以前不提软体机器人呢？那时也会想到同样的需求，但是那时主要的想法还是把钢体机器人能够做的稍微柔一点，所以有一种机器人叫柔性机器人， 柔性机器人是钢体机器人的一个转变，但是用的材料还是钢体材料，无非是和钢体机器人相比相对薄一点、软一点，有一定的柔性性能。

同时， 软体机器人还面临一个大问题，即机器人设计的问题 。 用软材料来做机器人时，传统用金属制造机器人的那一套经典成熟的方法就无法适用。 我们现在的机器人实际上按照传统的机械设计发展而来，钢铁、铰链、马达驱动，学机械设计的人都会在大学里学到这一套理论，80年代这些理论就已经被德国掌握了，现在的学生也都在学这个。从机械原理到结构设计到驱动、控制、传感，这一套理论都已经非常成熟了，所以现在的钢体机器人做的非常好。我以后也会做软体机器人相关研究， 现有的这套传统机械理论无法适用于软体机器人， 你需要寻求一个新的方法， 从基础理论上来讲，现在还没有突破，我们很多人也在研究，但这需要时间。最终要形成一套体系，要从原理、设计、结构、驱动、控制、传感，做成一个完整的体系。 这个体系经济、可行、适用，然后推广出去。现在行业内都在做探索，你会发现软体机器人这个领域百花齐放，每一个人都有一个想法，每一个人都有不同的的尝试，但 都还没有形成一个完整的体系 。

• 请您介绍一下当下机器人材料的发展情况？

从材料的发展来看，我们最开始没有把材料作为一个很重要的需求，所以并没有做这方面的研究。但现在有需求了，做材料的人就会把它做好，但是需要时间。从铁到铜、钢、钛合金、铝，到现在各式各样的复合材料的发展来看，材料研究是很漫长的过程，所以做材料需要时间，但一定会慢慢做好。

最近这几年大家看到软体材料，特别是从生物体这个角度考虑，也就是仿生的角度来看机器人的发展，机器人制造要用一些非金属材料，一些具有软性的人工合成材料，就会联想到塑料、橡胶（包括自然橡胶和人工橡胶）等材料。最近几年的发展和突破在于出现了一些新的合成材料，这些新材料可以安装驱动，之后就可以通电了。换句话说，如果这个新材料具有软体特征，又可以通电的话，那么如果我们改变原有的传统机械设计方法，利用新的软体材料进行全新设计，是否可以制造出软体机器人呢？

所以在新材料与新技术的驱使下，我们开始尝试，并且结果也让人兴奋。2012年左右，有几位化学教授把一些软胶材料拿来进行尝试，制作了一些能够表现机器人性能的简单的软体机器人，行业和学术界非常看好，因此之后投入了更多的精力与资金研发软体机器人。软体机器人能有如今的发展，靠的就是先前的创始者和开拓者为我们指路，我们才有如今的突破与发展。

• 软体机器人的市场应用前景如何？

从软体机器人应用的角度来看，最好的应用点是医疗和康复，例如软体手或软体臂。我们希望能够造出一种用于康复训练的机器人帮助需要做康复训练的患者，在康复过程中，机器人可以与人的手臂和腿进行互动，从而实现帮助患者进行康复训练。

当下具有互动功能的机器人需求特别迫切，而软体机器人从它的功性上来讲非常合适。在业界应用中大家最先想到，也是最先希望做的就是康复机器人。

第二个我们希望软性机器人的手指可以做到如同人类的手指一样灵活。因为运用钢体结构加上铰链、马达驱动做机器手已经做了40年了，但是突破还是不大。所以我们就想能不能用软体机器人来做机器手。这方面现在有一些进展，但不是很大，主要还是由于材料和驱动的局限性。

但是从市场的角度来看，最大的、最具有前景的市场其实是玩具。虽然我们现在看到的软体玩具很少，但是你可以想象把动画片里的动画人物，不仅仅是在屏幕上呈现出来，还可以通过软体机器人的形式做成实际的人物形象放在家里与孩子互动，这个市场是无穷大的。就行业对软体机器人的投资上来讲，美国迪士尼实际上投资是最大的。虽然迪士尼很低调，但是这仍然可以显示出软体机器人在玩具市场中应用的前景。但软体机器人玩具的生产难度会更大，因为不能装马达，不能走电线。像迪士尼的投资已经有所回报了，所以现在的投资力度就没有最开始那么大，因为大家意识到材料和技术方面的局限性。

国防、消防、急救这些方面，市场规模本身来讲不大，但它的需求也是非常迫切的，因为关系到民生安全的问题。所以现在也有一些科研单位也开始着手研究，一些政府也在支持。但真正最后能够推广到商业领域的，我认为还是医疗康复和教育玩具。

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