芯耀
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近年來，有不少研究團隊受貓狗、蛇、章魚等動物的啟發(fā)，設(shè)計出多種形態(tài)的柔性機器人。這一次，哈工大研究團隊受到了象鼻的啟發(fā)，設(shè)計了新型的柔性機器人。
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近日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果，題為：《Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk》（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展 / 收縮氣動人工肌肉）。
受象鼻啟發(fā)，建立柔性機器人新模型哈爾濱工業(yè)大學(xué)是我國最早開展機器人技術(shù)研究的高校之一，也是我國第一臺電焊機器人、弧焊機器人、爬壁機器人、空間機器人、月球車的誕生地，在機器人技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位。據(jù)報道，此次哈工大冷勁松教授研究團隊受到了象鼻的啟發(fā)，在研究上又有了新發(fā)現(xiàn)，設(shè)計了新型的柔性機器人——新型彎曲螺旋可伸展 / 收縮氣動人工肌肉。
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氣動人工肌肉，是一種采用新型智能高分子材料的人造肌肉（artificial muscle），非常接近生物的肌肉纖維。由外部的壓縮空氣驅(qū)動進行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢。
研究團隊指出，氣動人工肌肉運動在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。為此，在象鼻的啟發(fā)下，他們在可伸展 / 收縮的氣動人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計了新型的彎曲螺旋可伸展 / 收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs），當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產(chǎn)生繞軸的彎曲、旋轉(zhuǎn)運動，使致動器產(chǎn)生螺旋變形，這個過程就如同我們見過的象鼻彎曲旋轉(zhuǎn)的運動過程。通過實驗、分析，研究團隊建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性，拓展了柔性機器人更多的可能性，如軟體分類機器人、搜索機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設(shè)備等等。
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市場潛力巨大，擁有無限可能性當前，全球機器人市場規(guī)模持續(xù)擴大，機器人產(chǎn)業(yè)正穩(wěn)步增長。據(jù)相關(guān)報告，2019 年全球機器人市場規(guī)模達到 294.1 億美元，2014～2019 年全球機器人市場的平均增長率約為 12.3%。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，中國將成為全球最大的機器人應(yīng)用市場，預(yù)計在 2030 年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到 260 億美元，占到全球 1/3。也就是說，預(yù)計在 2030 年全球機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到 780 億美元。在巨大的市場前景下，不少企業(yè)、高校等研發(fā)團隊研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。而柔性機器人具備材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強的安全性，能夠破除傳統(tǒng)機器人關(guān)節(jié)的僵硬和材料的剛強，有著更為良好的人機互動性，或?qū)⒊蔀槲磥砩虡I(yè)運用的主流趨勢之一。極智嘉聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CTO 李洪波曾表示，柔性機器人系統(tǒng)蘊含著巨大市場潛力，將會在智慧物流、智能制造、以及大家所能想象到的商業(yè)環(huán)境里，得到廣泛的應(yīng)用。
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目前，柔性機器人主要的商用場景為工業(yè)和醫(yī)療。其中，醫(yī)療領(lǐng)域是柔性機器人典型性和商業(yè)度較高的應(yīng)用領(lǐng)域，潛力空間估值接近 75 億美元。在醫(yī)療機器人的柔性化運用中，手術(shù)機器人的臨床性和產(chǎn)業(yè)化程度是當前發(fā)展最快的。柔性化的醫(yī)療機器人能夠進入人體四處移動，提供照明，成為醫(yī)生的眼睛，甚至可以繞過想要避開的區(qū)域。而著名的達芬奇手術(shù)機器人，代表了柔性機器人在該領(lǐng)域的一定水平，其可自由運動的手臂腕部、3D 高清影像技術(shù)、主控臺的人機交互設(shè)計這三個關(guān)鍵核心技術(shù)，分別對應(yīng)了柔性機器的機器感知、機器行動和人機交互，可協(xié)助醫(yī)生在有限的狹窄空間工作，手術(shù)操作更精確。
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對于工業(yè)領(lǐng)域的柔性機器人應(yīng)用來說，隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設(shè)計不斷創(chuàng)新以及新材料相繼投入使用，工業(yè)機器人的類人精細化操作能力不斷增強。如日本愛普生首款新型折疊手臂六軸機器人，可在現(xiàn)有同級別機械臂 60%的工位空間內(nèi)完成靈活操作，采用內(nèi)部走線設(shè)計，自然進入高層設(shè)備、機器、架子等狹窄空間，避免了在設(shè)置和維護過程中進行復(fù)雜的布線，大大提高了成本效率并保持較低的總運行成本。
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隨著機器人逐步應(yīng)用到各種實際應(yīng)用場景，機器人產(chǎn)業(yè)輕型化、柔性化、智能化的趨勢日益明顯。此次哈工大以象鼻為啟發(fā)而建立的氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，拓展了柔性機器人更多的可能性。由此可見，未來機器人將越來越靈巧、安全，且形式更多樣化，應(yīng)用范疇也更廣。
圖片來源自網(wǎng)絡(luò)
