最新一期 Science Robotics 封面上，出現(xiàn)了一只四足機(jī)器人。

誒不對，放錯(cuò)圖了，應(yīng)該是下面這張。

據(jù)說這款機(jī)器人的研發(fā)靈感正是源于自然界中的烏龜，這么一說還真有點(diǎn)像！

外形上，它就像是用粗細(xì)不一的塑料管拼接而成，似乎有點(diǎn)不太高級的亞子，不過這堆“塑料”既然能登上機(jī)器人領(lǐng)域頂刊封面，也是有兩把刷子的——不同于大多數(shù)的軟體機(jī)器人，這款機(jī)器人并非由機(jī)電組件控制，通過軟閥組成的環(huán)形振蕩器就能動(dòng)起來。

2021 年 2 月 17 日，相關(guān)研究成果以 Electronics-free pneumatic circuits for controlling soft-legged robots（控制軟體足機(jī)器人的無電子氣動(dòng)電路）為題正式發(fā)表于 Science Robotics，并登上當(dāng)期封面。論文作者來自美國加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械工程系和材料科學(xué)與工程專業(yè)。

無電子元件的機(jī)器人

研究背景

氣動(dòng)軟體機(jī)器人（pneumatically actuated soft robots）有著很好的環(huán)境適應(yīng)能力。

在機(jī)器人與自動(dòng)化國際會(huì)議 ICRA 2017 上，加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室就曾公布了一款 3D 打印的軟體四足機(jī)器人，研究團(tuán)隊(duì)宣稱這款機(jī)器人能夠征服所有地形。

雷鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道，這一機(jī)器人靠氣體驅(qū)動(dòng)，每條腿都由 3 條可伸縮的充氣橡皮管制造而成，四條腿呈 X 形相連，通過充氣或漏氣的設(shè)計(jì)就能走起路來。

如下圖所示，不少機(jī)器人都是受機(jī)電組件（例如閥門和泵）控制，而通常情況下機(jī)電組件既笨重又昂貴。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)利用軟閥設(shè)計(jì)了一種環(huán)形振蕩器（oscillators）。

工作原理

振蕩器可以被用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號，它是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，能將直流電能轉(zhuǎn)換為一定頻率的交流電能。

通過這樣的一個(gè)環(huán)形振蕩器，就能產(chǎn)生振蕩信號（oscillating signals），接著振蕩信號由氣動(dòng)邏輯元件響應(yīng)傳感器輸入，步態(tài)產(chǎn)生。

雷鋒網(wǎng)了解到，產(chǎn)生振蕩信號的一過程類似于包括四足動(dòng)物在內(nèi)的自然有機(jī)體使用中樞模式發(fā)生器（CPGs）實(shí)現(xiàn)行走、飛行和游泳等四肢重復(fù)運(yùn)動(dòng)。

通常情況下，這一過程由感覺反饋介導(dǎo)，但 CPG 的結(jié)構(gòu)基本上只是一個(gè)重復(fù)回路，驅(qū)動(dòng)肌肉按順序產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)的步態(tài)。在這種情況下，氣動(dòng)肌肉被驅(qū)動(dòng)成相反的一對，形成一個(gè)對角（線）雙步態(tài)，呈對角的兩條腿同時(shí)向前和向后旋轉(zhuǎn)。

論文介紹，這款機(jī)器人的每條腿都有 3 個(gè)自由度，需要一個(gè)恒定的壓縮空氣源來支撐控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

具體來講，研究人員成功地將壓力源（可以是一根繩子，也可以是一個(gè)內(nèi)置的二氧化碳插裝盒）通過一個(gè)完全由軟性材料制成的振蕩三通閥回路引導(dǎo)到四條腿上，而每條腿上都有三個(gè)不同的氣室。

那么，振蕩三通閥回路的原理如何呢？

據(jù)了解，回路本身由三個(gè)雙穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)閥門組成，閥門通過管道相連接，通過管道對氣體的流動(dòng)提供阻力（可通過改變管道長度和內(nèi)徑來調(diào)節(jié)）。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)：

• 使用 3 個(gè)氣動(dòng)記憶元件（閥門）即可控制基本步態(tài)；

• 通過 2 個(gè)振蕩器電路（7 個(gè)閥門），即可將運(yùn)動(dòng)速度提高 270%。

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)記憶元件，模擬一個(gè)雙極雙擲開關(guān)（double-pole double-throw switch，DPDT switch，雙刀雙擲開關(guān)是具有 2 個(gè)輸入和 4 個(gè)輸出的開關(guān)，每個(gè)輸入都有 2 個(gè)對應(yīng)的輸出）。

此外，他們還演示了一個(gè)允許機(jī)器人在步態(tài)之間進(jìn)行全方位運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)傳感器輸入的控制電路。

值得一提的是，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）正在開發(fā)的一款金星探測器雖然并非軟體機(jī)器人，但由于不能依賴于傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)來進(jìn)行自主導(dǎo)航或控制，因而也是以類似的方式運(yùn)行。IEEE Spectrum 報(bào)道稱：

事實(shí)證明，要想使機(jī)器人完成相對復(fù)雜的自主行為，可以有很多聰明的方法。

軟體機(jī)器人如何發(fā)展？

一般而言，所謂的軟體機(jī)器人都不是我們想象中那樣的通體由軟性材料構(gòu)成，這是因?yàn)殚_發(fā)出柔性的供能、控制元件（例如柔性電池和電路板）一直是一大難點(diǎn)。

而上述機(jī)器人最酷的地方就在于另辟蹊徑實(shí)現(xiàn)了步態(tài)控制。

研究團(tuán)隊(duì)表示：

這項(xiàng)研究是邁向完全自主無電子元件機(jī)器人應(yīng)用的一步，不論是低成本娛樂機(jī)器人的發(fā)展，還是在極端環(huán)境下機(jī)器人的應(yīng)用，這款研究都起到了推動(dòng)作用。

其實(shí)這一突破并非首次實(shí)現(xiàn)——早在 2016 年，哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）也曾設(shè)計(jì)了一款軟體機(jī)器人，號稱「世界第一個(gè)完全軟體的且自我驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人」。

據(jù)相關(guān)論文介紹，這只全軟體“小章魚”無需外界給予任何控制、刺激，可以獨(dú)立運(yùn)行 4-8 分鐘。它真正具有里程碑意義的特點(diǎn)就在于：可以在沒有電池和電路板的情況下自我驅(qū)動(dòng)。

即便如此，軟體機(jī)器人的發(fā)展依然較為緩慢，正如 IEEE Spectrum 的觀點(diǎn)：

本質(zhì)上，軟體機(jī)器人應(yīng)該是安全的、靈活的、非常便宜的，這些特征使其有望得到廣泛應(yīng)用。但相對于其他領(lǐng)域的機(jī)器人，軟體機(jī)器人發(fā)展較慢，其中一個(gè)原因就是軟體機(jī)器人不能直接受益于過去幾十年里算力、傳感器和致動(dòng)器等的顯著發(fā)展。

無疑，軟體機(jī)器人的發(fā)展離不開包括材料學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生物力學(xué)、傳感與控制在內(nèi)的多學(xué)科進(jìn)步，隨著相關(guān)學(xué)科近年來的迅速發(fā)展，各種不同驅(qū)動(dòng)方式的軟體機(jī)器人開始涌現(xiàn)。

未來軟體機(jī)器人還會(huì)有何突破，雷鋒網(wǎng)將保持關(guān)注。

引用來源：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eaay2627

https://www.youtube.com/watch?v=LdBLkM0ZmEw

http://www.learningaboutelectronics.com/Articles/Double-pole-double-throw-switch-DPDT

https://www.youtube.com/watch?v=X5caSAb4kz0&feature=emb_imp_woyt

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/soft-legged-robot-pneumatic-circuitry

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