2017年9月28日，機(jī)器人大講堂邀請(qǐng)北京航空航天大學(xué)杰出青年學(xué)者文力老師為大家?guī)?lái)軟體機(jī)器人的研究報(bào)告。這位年輕有為的北航副教授，剛剛在《Science Robotics》上發(fā)表了軟體機(jī)器人的封面文章，在中國(guó)的機(jī)器人圈引起了不小的轟動(dòng)。
此次文力老師在大講堂的分享匯報(bào)吸引了不少學(xué)校學(xué)生以及產(chǎn)業(yè)界的同仁廣泛關(guān)注，為方便大家學(xué)習(xí)，現(xiàn)將文力老師的報(bào)告內(nèi)容整理如下：
什么是軟體機(jī)器人
首先我們看一下軟體機(jī)器人的定義，什么是軟體機(jī)器人？簡(jiǎn)單來(lái)講，就是大部分的材料，如果把材料按照一個(gè)頻譜從左到右進(jìn)行一字排開的話，處于這個(gè)頻譜右端的材料是剛性材料，硬如像鉆石是最硬的一類材料；到左邊像水凝膠或者像我們?nèi)祟惖闹臼擒浶圆牧?。它們的硬度差了大?/span>10的9次方之多。
中間有一條線，楊氏模量是1GPa，1GPa是什么概念呢？就是相當(dāng)于我們的肌腱，比ABS塑料還要再軟一點(diǎn)，比我們肌腱要再硬一點(diǎn)。這條線把所有的材料頻譜分成左右兩邊?？縿傂缘哪且欢酥饕墙M成了傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人的核心部件，比如說(shuō)鉸鏈、減速器，比如電動(dòng)機(jī)、螺釘?shù)鹊取?/span>
而處在這個(gè)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(jī)器人的機(jī)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(jī)器人。這個(gè)定義是由Daniela Rus，麻省理工人工智能實(shí)驗(yàn)室的主任畫的這一張圖，這個(gè)圖也成了軟體機(jī)器人的一個(gè)基本的定義。
軟體機(jī)器人是怎樣產(chǎn)生的
我們看一下這個(gè)軟體機(jī)器人到底是什么時(shí)候產(chǎn)生、怎么產(chǎn)生，以及它總體的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是什么樣的。從這個(gè)圖上來(lái)看，2011年的時(shí)候，由George M.哈佛大學(xué)的老先生，他最早在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院刊上面發(fā)表了一篇文章，隔年又在《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇文章，他講到用硅膠材料做出了一個(gè)能夠爬行的四足動(dòng)物，但是它只有一種材料。
隨著研究的快速發(fā)展，逐步地到了向多材料發(fā)展，就是上邊最右邊這個(gè)圖，通過(guò)3D打印從單一材料到多材料的過(guò)渡。右下角這個(gè)圖是人們逐步把智能液態(tài)的響應(yīng)材料加入到了硅膠材料當(dāng)中，讓它能夠?qū)ν獠康膽?yīng)力。就是當(dāng)它拉它、卷它的時(shí)候，它的內(nèi)部的液體會(huì)產(chǎn)生一部分的變化，比如光強(qiáng)以及傳感的輸出會(huì)發(fā)生變化，這樣就為軟體機(jī)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》雜志上面發(fā)表了一篇很有名的文章，用液體化的3D打印，把所有的驅(qū)動(dòng)、傳感、甚至控制器都打印到了一個(gè)小小的章魚上面，可以通過(guò)柔性的，像邏輯控制器FPGA來(lái)控制章魚的八個(gè)觸手，產(chǎn)生有規(guī)律的、節(jié)律的運(yùn)動(dòng)。
右下角這個(gè)圖是科研人員將培養(yǎng)的小鼠細(xì)胞對(duì)它進(jìn)行了一個(gè)基因編程，讓這種小鼠細(xì)胞對(duì)外部的光強(qiáng)能夠產(chǎn)生反應(yīng)。當(dāng)他把小鼠的細(xì)胞平鋪到一個(gè)黃金材料上的時(shí)候，就可以做成一條魚；這條魚在外部光強(qiáng)的響應(yīng)下會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。
所以從2011年到2017年，這七年的時(shí)間內(nèi)，軟體機(jī)器人從單一的材料過(guò)渡到了多材料，再到了智能材料，最后有可能到生物材料，這是一個(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。所以從這個(gè)趨勢(shì)結(jié)合起來(lái)講，未來(lái)的發(fā)展方向一定是它結(jié)合驅(qū)動(dòng)、傳感、變剛度、多功能的復(fù)合材料，以及添加軟體機(jī)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(gè)學(xué)術(shù)或者是創(chuàng)新方面的一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。
軟體機(jī)器人用來(lái)干什么
那么這個(gè)軟體機(jī)器人用于干什么？首先第一個(gè)是用于抓持作業(yè)，這個(gè)抓持作業(yè)就如這個(gè)圖上所看到的，左邊這個(gè)藍(lán)色的球狀是康奈爾做出的樣機(jī)；中間的這個(gè)是氣動(dòng)軟體抓持器，左下角的是費(fèi)斯托做出的一個(gè)仿生的抓持器。這一類所有的軟體機(jī)器人是用于抓持作業(yè)，抓持作業(yè)就是相當(dāng)于物品分解或者是抓持形狀不一、大小不等的物體時(shí)發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。
在座的有很多同學(xué)，有很多是博士生，你們要發(fā)論文，產(chǎn)業(yè)界也可以看一些這樣的論文，來(lái)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的方向。軟體機(jī)器人的發(fā)展是非?？斓模钱?dāng)今機(jī)器人領(lǐng)域里面最重要、最前沿的一個(gè)方向，主要是從兩個(gè)方面，就是基本的《Nature》和《Science》雜志的論文，2012年到2017年發(fā)表的論文數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前十年或者前幾十年的論文數(shù)量，今年可能是10篇左右都是關(guān)于軟體機(jī)器人的。而軟體機(jī)器人還專門成立了一個(gè)雜志，就叫《軟體機(jī)器人》，它的影響力也是機(jī)器人里面排名第一位的，所以說(shuō)這是未來(lái)的一個(gè)前沿的方向。
同學(xué)們可能比較關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，為什么軟體機(jī)器人能產(chǎn)生這么多有影響力或者說(shuō)是比較原創(chuàng)的工作呢？我總結(jié)了一下，就是它源于幾個(gè)重要的因素。第一個(gè)方面，就是由于以3D打印、智能材料為主的這一批交叉學(xué)科，加入到了機(jī)器人這個(gè)行業(yè)當(dāng)中，所以一下讓機(jī)器人這個(gè)行業(yè)不再只是工程師或者機(jī)械、或者自動(dòng)化這兩個(gè)領(lǐng)域的人，而加入了像生物、材料、3D打印等這些比較熱點(diǎn)的研究問(wèn)題上，所以讓它從一個(gè)單一的學(xué)科變成了一個(gè)多學(xué)科交叉。所以利用3D打印、軟體機(jī)器人，還可以探索一系列新的科學(xué)問(wèn)題，或者說(shuō)未來(lái)包括國(guó)防或者其他的應(yīng)用。
文力老師相應(yīng)的科研成果
所以我們腦子里浮現(xiàn)出三個(gè)主要的問(wèn)題，一個(gè)是這個(gè)吸盤關(guān)鍵的形態(tài)特征是什么？第二個(gè)是從機(jī)器人的角度怎么樣加工制造，以及驅(qū)動(dòng)控制一個(gè)仿生鮣魚的吸盤？第三個(gè)是這個(gè)鮣魚吸盤蘊(yùn)含的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是什么？所以帶著這些問(wèn)題，我們用Micro nano CT掃描了一個(gè)死去的鮣魚的頭部，可以看到這個(gè)鮣魚的結(jié)構(gòu)非常奇特，有不同尺度，從微尺度到宏觀尺度，由硬質(zhì)材料、軟材料組成的。
鮣魚頭部的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)是相互嵌入在一起的，這個(gè)問(wèn)題就對(duì)加工提出了非常大的挑戰(zhàn)。但是我們?cè)诩庸ぶ斑€是要搞清楚它的特征什么，這是用Micro CT三維重建出來(lái)的一個(gè)三維的模型，可以看到它有一排一排的結(jié)構(gòu)，我們叫鰭片，在鰭片上面有這種非常微小的齒狀的三維結(jié)構(gòu)，像圓錐一樣的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)圓錐根部是200個(gè)微米，高度是在500個(gè)微米。這種錐狀的結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)在這種鰭片上，而整個(gè)這個(gè)鰭片還可以在肌肉的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生這種微微的運(yùn)動(dòng)。
這種運(yùn)動(dòng)到底會(huì)對(duì)整個(gè)的造成什么樣的影響，我們首先測(cè)量了一下活體的鮣魚，它的微動(dòng)是什么情況?？梢钥吹剿梢蕴?，也可以落下，而這個(gè)抬起、落下的動(dòng)作是我們通過(guò)高速相機(jī)很多次實(shí)驗(yàn)捕獲出來(lái)的，整個(gè)的幅度大概在150個(gè)微米大小。但是這150個(gè)微米大小雖然量非常小，但是卻起到了很重要的作用。
我們?cè)趺礃釉跈C(jī)器上面實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)？我們通過(guò)這種直線的、軟體的驅(qū)動(dòng)器，一加這種氣壓就會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直線的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)直線的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而通過(guò)3D打印的機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)化成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方面的影響，也是一個(gè)仿真的圖。
通過(guò)這樣一個(gè)機(jī)構(gòu)，我們?cè)谒伎?，如何將它整個(gè)的吸盤給做出來(lái)。我們目前采用的方式利用的是多材料的3D打印的方式，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(dāng)于是在CT里面把多材料提前設(shè)置成這個(gè)樣子，然后進(jìn)行一體化打印。
剛才我們講到了這種小刺的結(jié)構(gòu)，是無(wú)法用3D打印一體化打印出來(lái)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(jié)構(gòu)，下面是仿生的結(jié)構(gòu)，它們從尺度大小、錐度等等，都是非常近似的。
我們?yōu)榱颂剿鬟@個(gè)科學(xué)問(wèn)題，做了多個(gè)不同材料、不同結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，然后在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的基底包括光滑、粗糙，20個(gè)微米，也包括更粗糙的200個(gè)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(jié)果。
最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在200個(gè)微米的時(shí)候，可能能達(dá)到60倍的自身的拉力；而到了光滑的表面上，吸附力可以達(dá)到340倍。所以說(shuō)從硬度上來(lái)講，能夠產(chǎn)生比較大的吸附力以及切向摩擦力，對(duì)未來(lái)的應(yīng)用會(huì)有很大的幫助。
我們當(dāng)時(shí)做了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人能夠流向表面，緊緊地貼在這個(gè)表面上面，即使在外部干擾的情況下也不會(huì)脫落，除非它自己想要脫落，可以在鯊魚皮上實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較穩(wěn)定的吸附?？梢韵胂窭眠@樣一個(gè)軟體的多材料的吸盤，可以讓未來(lái)的水下機(jī)器人有更多的可能性。相關(guān)的研究也是前一段時(shí)間發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人雜志》的封面上，同時(shí)也獲得了包括《科學(xué)》和《麻省理工科技評(píng)論》這樣的一些報(bào)道。
鮣魚是可以吸附的一個(gè)東西，主要是靠它的吸盤；但是有沒(méi)有既有吸附，又有抓持的生物？我們?nèi)プ匀唤缰腥ふ掖鸢?。答案就是章魚，章魚可以伸出自己的手臂，抓持一個(gè)目標(biāo)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(gè)比較微小的物體，都可以實(shí)現(xiàn)抓持。
從這樣的一個(gè)東西上面獲得靈感，我們從2015年10月開始，我們和德國(guó)費(fèi)斯托完成一個(gè)合作的項(xiàng)目，就是制作一個(gè)仿章魚觸手的軟體的機(jī)器人的樣機(jī)。從這個(gè)動(dòng)態(tài)的視頻藍(lán)色的部分是我們做出來(lái)的東西，灰色的部分是基于費(fèi)斯托早先的仿生大象鼻子的技術(shù)進(jìn)行了一個(gè)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(shí)現(xiàn)抓持一杯水，然后把它倒在一個(gè)杯子里，整個(gè)的速度還是可以做到比較快的。
基于這個(gè)想法，就是軟體的章魚觸手實(shí)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(yōu)的，這是一個(gè)問(wèn)號(hào)。所以說(shuō)我們實(shí)驗(yàn)室的人員在測(cè)試了不同的材料，也測(cè)試了不同的形狀之后，產(chǎn)生了另外一種抓持器，這種抓持器從實(shí)用性上來(lái)講更好，這是2015年4月份做出來(lái)的樣機(jī)，它可以安全地抓持雞蛋，抓持一只螃蟹。
