中国科学家研发模块化软体机器人和模仿折纸的全柔性人工肌肉

“折一千对纸鹤，结一千颗心情”，邰正宵的《千纸鹤》曾陪伴过一代人。千纸鹤是一种中国传统折纸艺术，然而浙江大学机械工程学院教授邹俊却以此为灵感，做成了软体机器人，并借此发表了两篇 SCI 封面论文。

但在发表第一篇 SCI 封面论文时，他并未察觉自己已在不知不觉间，使用了中国折纸艺术。

他告诉 DeepTech：“能获得两个封面，是因为在软体机器人上实现模块化，是非常困难的事情。”

第一篇 SCI 封面论文：给机器人设计柔性关节

邹俊的主攻方向是软体机器人，2019 年 1 月，Advanced Materials Technologies 在封面刊登论文《真空驱动的软气动柔性扭转执行器，赋予软体机器人新的功能》“Vacuum‐Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators to Empower New Capabilities for Soft Robots”，他是该论文的通讯作者，文中描述了一种由真空驱动的柔性扭转执行器。

该研究的立项起因在于，传统硬体机器人的抓手如波士顿机器狗，主要依靠机械电机关节来改变其抓取方向，而软体机器人却缺少类似的 “柔性关节”，因此灵活性会受限。

虽然已有部分软体机器人拥有柔性抓手，但普遍比较 “死板”，比如只有物体处于特定摆放角度才能被抓手抓住，因此柔性关节设计非常有必要。

基于此，邹俊开始投入研究，一开始他们曾提出一种刚柔结合的设计方案 —— 在执行器的四条棱边中，插入四根由 PLA（Polylactic acid，聚乳酸）制作的倾斜杆，执行器气室被抽成真空后，就会沿着杆的倾斜方向扭转。

但在操作中，执行器的四根杆被意外掰断，邹俊索性将错就错，做出一个没有杆支撑的柔性关节，结果效果反而比想象中更好。

不久后，他的最终方案成型，即用一个真空驱动的柔性扭转执行器（V-SPTA，Vacuum-Powered Soft Pneumatic Twisting Actuators）作为软体机器人的 “柔性关节”。

据悉，V-SPTA 完全采用柔性材料制作，拥有超长使用寿命。相比传统气动执行器，V-SPTA 的气室连接处非常坚强，如下图哪怕用针戳几个小孔，依然能够正常使用。

而此前的传统气动执行器，它们的最大缺点在于容易漏气，在高压气体的作用下，气室连接处很容易裂开、漏气，最终影响气动执行器的使用寿命。

此外，V-SPTA 还拥有较强的负载能力，如下图，高度 20mm 为的 V-SPTA，其重量仅有 19g，但却能驱动 9kg 以上的物体，经测量发现，这是其自重的 473 倍。

与同类全柔性线性执行器相比，V-SPTA 的提重能力是它们的 5 倍以上。

通常来讲，和人体关节一样，机器人的关节也是一种通用运动模块，它不仅能改变抓手方向，还能改变机械臂的弯曲方向，而柔性关节同样具备上述功能。

故此，在验证 V-SPTA 的应有功能时，邹俊模仿硬体工业机器人，并制作一个全柔性 “胳膊”。

他把两个 V-SPTA 分别作为软体机器人的机械臂关节和抓手关节，其中机械臂关节用于改变柔性机械臂的弯曲方向，抓手关节用来改变柔性抓手的抓取方向，为的是让全柔性 “胳膊” 可适应被抓物体的各种摆放角度以及将物体放在不同位置。

和其他气动执行器结合，V-SPTA 可实现模仿人手拧开瓶盖的过程。

V-SPTA 还可组装成可旋转的柔性爬行机器人，将 7 个 V-SPTA 和 3D 打印零件连接起来，就可以产生一个爬行机器人，它拥有左转、右转、直线行走、原地旋转等多种功能。

据邹俊表示，此前多数柔性气动爬行机器人要么不具备转向能力、要么转向速度偏慢，而上述爬行机器人采用一种全新转向模式，可在行进过程中实现转向和原地旋转，转向速度可达 25.7°/s，高于多数同类研究成果。

图 | 和其他柔性气动爬行机器人的转向速度对比（来源：受访者）

在第三个应用中，邹俊把 V-SPTA 组装成柔性管道机器人，该机器人可在水平管道以及竖直管道中爬行，功能上除了清理和检测管道之外，还能在管道中运送物体。

概括来说，V-SPTA 扩大了软体机器人的能力，同时最大程度地减少了执行器设计的复杂性、并降低了制造成本。放在工厂生产线上，能起到类似关节机器手的作用，可用于拧螺丝、抓取物体等。

第二篇 SCI 封面论文：适用于基于柔性材料的可重构软体机器人的高级人工造肌肉

 

时隔不久，邹俊在 Advanced Science 发表了另一篇封面论文，标题为《适用于基于柔性材料的可重构软体机器人的高级人工造肌肉》“Advanced Artificial Muscle for Flexible Material-Based Reconfigurable Soft Robots”。

该研究是对前文第一个工作的扩展，即把机器人变成类似于乐高积木的物体，借此实现想要的各种复杂运动。在第一个工作中，给软体机器人吸气的时候，它不仅旋转还会收缩，没有把运动完全分离开，等于是两个运动的复合体。

相比第一个工作，第二个工作通过模块组合将复合运动解耦，实现了单个运动，这样可大大丰富机器人的运动能力，因此是很大的进步。

打个比方，一个物体需要两个配件同时存在才可运动，而现在两个配件分开后，物体也可实现独立运动。

同时，第二篇 SCI 灵感来源于很多人都熟悉的一种民间艺术 —— 折纸，通过模仿折纸的折叠运动，邹俊设计了一种流体驱动的全柔性人工肌肉，它可通过直线运动、旋转运动、弯曲运动，去实现所有的运动。

因为任何运动都由直线、弯曲、旋转这些基本的运动组合而成。这样的话，机器人的使用场景会更精细。打个比方，电风扇就只需要旋转运动，而不需要直线运动。

图 | 模仿折纸的全柔性人工肌肉（来源：Advanced Science）

具体研究中，邹俊通过使用刚性连接和柔性软连接两种连接方法，设计出快速连接的人工造肌肉，这种人造工肌肉可重新配置成各种软体机器人，通过一个关节，即可实现直线运动和旋转运动，并且通过不同组合还可实现复杂运动，从而实现模块化机器人的概念。

如图所示，固定环、螺钉、螺母和刚性连接器等刚性物体，用于连接人工造肌肉的两个底面 / 顶面。其中刚性螺旋连接器在可靠性、稳定性和可拆卸性上，拥有显着优势。

柔性软吸盘连接器具有与人工造肌肉相同的驱动源，它可用于连接两个人工造肌肉，从而可以在单个软体机器人中有效集成多种功能。

其单个肌肉模块可同时实现伸缩 + 扭转的复合运动、以及弯曲 + 扭转的复合运动，多模块组合还可实现伸缩、弯曲、扭转、径向运动等。

这些软体 “积木” 可组装成各种各样的软体机器人，如四足爬行机器人、柔性抓手、管道机器人、柔性手腕等，最终实现了 “积木” 型软体机器人。

据悉，这类机器人制作简单，成本也比较低，还可根据需要完成的任务将模块化单元重新配置为一组，和针对大型特定任务的整体式机器人，拥有一样的效果。

同时，这种折纸设计还有助于基于柔性材料的机器人的应用，并在由各种柔性材料如水凝胶、电活性聚合物，液态金属等制成的软体机器人中具有广阔的应用前景。

这项研究还被邹俊和学生带到 2019 年哈尔滨工业大学举办的 “HRG 博实杯” 第一届中国研究生机器人创新设计大赛上。

大赛共有来自 220 家高校的 1311 支队伍参加，四位同学参赛的作品《可重组的多功能人工肌肉》最终获得全国总决赛一等奖，同时也是当时浙江大学参赛队伍中唯一获得一等奖的团队。

论外观，邹俊课题组的机器人未必 “颜值最佳”，但他告诉 DeepTech，在柔性机器人方面，过去没有人系统地、给其做类似乐高积木的工作。仍以乐高积木为例，由于它是硬性物体，因此可实现各种模型，而多数软体机器人很难实现。

谈及未来，邹俊表示目前模块化软体机器人方向的研究越来越受关注，并且取得一定的进展。但是由于现有模块化软体机器人只能实现简单的配置，完成一些简单的任务，目前研究还处于较低的水平。

未来，他打算探索更加先进的技术或方法来克服诸多挑战，以实现自主的、敏捷的、强大的以及智能的模块化软体机器人。

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原文标题：灵感源于千纸鹤，中国科学家研发模块化软体机器人，以流体驱动全柔性人工肌肉｜专访

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责任编辑：haq