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導讀
隨著智能材料，智能制造技術(shù)的發(fā)展，人機交互需求的增加，“軟體機器人”得到了一大批科學家的青睞。近日，南丹麥大學（Southern Denmark University，SDU）的軟體機器人實驗室在油管（YouTube）發(fā)布了一則視頻，展示了該實驗室研究者的一些代表作品。其中包含了非常經(jīng)典“剪紙”軟體機器人的相關(guān)研究，今天小編就為大家羅列出該實驗室的一些“明星”軟體機器人！Ahmad Rafsanjani教授是該實驗室的主要負責人之一，他先前于蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zürich）獲得博士學位，之后又在ETHZ和哈佛大學從事博士后的研究。
圖1. 南丹麥大學的軟體機器人介紹一覽
▍南丹麥大學軟體機器人研究中心
南丹麥大學（University of Southern Denmark, SDU，1966年）在通訊，信息技術(shù)，工程學和生命科學領(lǐng)域在世界上享有極高的聲譽。SDU的軟體機器人研究中心（Center for Soft Robotics）的科學家們有代表性的軟體機器人研究在宣傳視頻中展出（文末附有完整的宣傳視頻）。該中心目前的研究方向主要在探索新型結(jié)構(gòu)和材料在軟體機器人中的應(yīng)用。
南丹麥大學軟體機器人實驗室網(wǎng)址：
https://www.sdu.dk/en/forskning/sdu_biorobotics/research+areas/soft+robotics
▍受到蛇運動啟發(fā)的剪紙軟體機器人
蛇依靠腹足有規(guī)律的波動前進，研究人員受到啟發(fā)，結(jié)合“剪紙藝術(shù)（Kirigami）”的原理設(shè)計了一種蛇形軟體機器人。該研究2018年發(fā)表于國際頂級機器人期刊《sciencerobotics (科學-機器人學)》上，SDU軟體機器人中心的Ahmad Rafsanjani副教授為第一作者。這款蛇形機器人無需依賴任何剛性元件，它的鱗片采用剪紙藝術(shù)制成。
圖2. 蛇靠腹足有規(guī)律的波動前進
圖3. 剪紙啟發(fā)的蛇形軟體機器人
剪紙藝術(shù)不同于折紙藝術(shù)，剪紙形變依靠的是剪切，而不是折疊。當機器人伸展時，扁平的二維剪紙表面會轉(zhuǎn)化為三維織紋表面，像蛇鱗一樣抓住地面。
圖4. 剪紙機器人的設(shè)計和加工
研究人員從一張平面塑料紙開始，使用雷射切割機切割一組厘米級的切痕。他們將切好的塑料紙包覆住如同管子一樣的彈性體致動器，而這種致動器充氣后會膨脹伸長。當致動器充氣時，剪紙切口突出，形成一個粗糙表面，抓住地面。當致動器泄氣時，切痕折疊成平面，推進機器人前進。
圖5. 三種不同形狀的仿生剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計
團隊實驗了各種形狀的切痕，包括：三角形、圓形、梯形。他們發(fā)現(xiàn)梯形切痕，最接近蛇鱗的形狀，使得機器人的移動幅度達到最大。
圖6. 三種不同剪紙結(jié)構(gòu)的機器人運動對比
相關(guān)論文信息
Rafsanjani, A., Zhang, Y., Liu, B., Rubinstein,S. M., & Bertoldi, K. (2018). Kirigami skins make a simple soft actuatorcrawl. Science Robotics, 3(15).
https://robotics.sciencemag.org/content/3/15/eaar7555
▍剪紙超材料軟體機器人
剪紙藝術(shù)為軟體機器人帶來了更多的可能性。如果將一種可拉伸的剪紙結(jié)構(gòu)包覆在彈性氣囊表面，當該氣囊充氣膨脹時，受到剪紙結(jié)構(gòu)的約束，氣囊就會按照設(shè)計的形狀發(fā)生形變。這項技術(shù)在機器人，醫(yī)療等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。該研究于2020年在國際頂級材料學期刊《先進材料（Advanced Materials）》，Ahmad Rafsanjani為論文作者之一。
圖7. 剪紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)的軟體驅(qū)動器
具體而言，一個剪紙啟發(fā)的軟驅(qū)動器中包含按規(guī)律切割的剪紙薄片和氣囊。氣囊膨脹時，剪紙切口引導其生長，使一些區(qū)域膨脹，另一些區(qū)域收縮。由此，我們就能在全局范圍內(nèi)控制宏觀形狀，以及在局部范圍內(nèi)構(gòu)建微觀特征（這也就是超材料的特征）。
圖8. 剪紙結(jié)構(gòu)驅(qū)動器的設(shè)計加工
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整切口的幾何參數(shù)就能夠控制和嵌入復雜形狀。研究者開發(fā)了一種逆向設(shè)計算法，能使剪紙充氣裝置在最佳模式下充氣模擬目標形狀。這項成果為多尺度結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
圖9. 通過優(yōu)化算法設(shè)計的瓷器結(jié)構(gòu)
研究人員用可編程氣球制作出了掛鉤和陶瓷花瓶?；旧现灰淖儍蓚€參數(shù)，就能用剪紙氣球編程出各種奇特的形狀。
圖10.瓷器結(jié)構(gòu)變形展示
圖11.掛鉤結(jié)構(gòu)變形展示
相關(guān)論文信息：
Jin, L., Forte, A. E., Deng, B., Rafsanjani,A., & Bertoldi, K. (2020). Kirigami‐Inspired Inflatables with Programmable Shapes. AdvancedMaterials, 32(33), 2001863.
https://doi.org/10.1002/adma.202001863
▍SDU軟體機器人中心的其他軟體機器人簡介
宣傳視頻中還有一些其他的軟體機器人展示，在這里簡單羅列出來，感興趣的朋友可以去查看相關(guān)論文，另外文末也附有完整的宣傳視頻。
Jonas J?rgensen助理教授研發(fā)的一款仿生機器人啟發(fā)自線翎電鰻。線翎電鰻是一種熱帶淡水魚，因為沒有背鰭，它借著擺動身體下側(cè)的旗狀魚鰭移動，能夠使它自在的向前、向后及垂直移動，泳姿優(yōu)美且獨特。
圖12. 線翎電鰻
圖13.線翎電鰻啟發(fā)的軟體機器人
機器人的魚鰭和身體由硅膠和六個伺服電機驅(qū)動的骨架組成。通過控制魚鰭周期性的擺動，可以控制這款魚形機器人的游泳方向和速度。
圖14.線翎電鰻機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
文章信息：Veenstra, F.,J?rgensen, J., & Risi, S. (2018, July). Evolution of fin undulation on aphysical knifefish-inspired soft robot. In Proceedings of the Geneticand Evolutionary Computation Conference (pp. 157-164). https://dl.acm.org/doi/10.1145/3205455.3205583
Ahmad Rafsanjani副教授參與研發(fā)的軟體超材料結(jié)構(gòu)，遇到外界刺激可以迅速做出特定模式的響應(yīng)。發(fā)表于國際著名期刊《PNAS》上。
圖15.軟體超材料變形示意圖
文章信息：Jin, L.,Khajehtourian, R., Mueller, J., Rafsanjani, A., Tournat, V., Bertoldi, K.,& Kochmann, D. M. (2020). Guided transition waves in multistable mechanicalmetamaterials. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(5),2319-2325.
https://www.pnas.org/content/117/5/2319.short
Jonas J?rgensen研發(fā)的一款用于驗證軟體機器人在人機交互中潛在應(yīng)用價值的觸手，這款軟體觸手在接近或者觸碰到人體或其他障礙物的時候會做出響應(yīng)，以此來實現(xiàn)和環(huán)境的交互。
圖16.軟體機器人——人機交互
文章信息：J?rgensen, J.(2018, March). Perceptions of a Soft Robotic Tentacle in Interaction. In Companionof the 2018 ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction (pp.377-377). https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3173386.3177532
Jonas J?rgensen也將軟體機器人應(yīng)用到其他和人交互的場景，例如藝術(shù)展示中。他設(shè)計了一款軟體機器人，啟發(fā)自神話故事中的角色，搭配聲音進行展示。
圖17.軟體機器人——藝術(shù)
論文信息：J?rgensen, J.(2017, June). Leveraging morphological computation for expressive movementgeneration in a soft robotic artwork. In Proceedings of the 4thInternational Conference on Movement Computing (pp. 1-4).
https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3077981.3078029
▍結(jié)語
大多數(shù)機器人由高精確度和高重復性的硬機構(gòu)組成。在生物體中卻融合了各種剛度的材料，以使他們能夠適應(yīng)各種不同的環(huán)境。SDU軟體機器人的研究，旨在為當代機器人技術(shù)提出許多有趣的新問題和挑戰(zhàn)，尤其是在設(shè)計，控制，傳感和交互領(lǐng)域。他們致力于在軟化機器人，仿生建模，人機交互和機器人藝術(shù)方面的各種專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，為軟機器人提供一種系統(tǒng)的研究方法。
具體來說，他們希望闡明軟機器人的適當設(shè)計標準是什么；如何針對給定任務(wù)（包括與人的協(xié)作）設(shè)計和部署適應(yīng)性強的軟體；如何將電子和計算技術(shù)集成到軟機器人解決方案中；以及如何在具有特定自然約束的不同環(huán)境中利用局部和遠端傳感進行探索。
責任編輯：lq
