軟體機(jī)器人進(jìn)化論：溫柔又害怕！

軟體機(jī)器人人工智能數(shù)據(jù)猿

原創(chuàng) 達(dá)尼亞 | 2021-03-10 12:06

【數(shù)據(jù)猿導(dǎo)讀】 “目前，全球軟體機(jī)器人的生產(chǎn)主要集中在美國(guó)、歐洲和日本，而在消費(fèi)端，中國(guó)的全球占比達(dá)31.84%，排名第一。軟體機(jī)器人會(huì)成為下一個(gè)被掐脖子的領(lǐng)域嗎

30多年前，剪刀手愛(ài)德華那句“如果我沒(méi)有刀，我就不能保護(hù)你。如果我有刀，我就不能擁抱你。”感動(dòng)無(wú)數(shù)人。幾十年后，“我長(zhǎng)成這樣，是為了讓人看起來(lái)更想擁抱。”的大白又騙走了我們一票眼淚。

縱觀機(jī)器人發(fā)展史，影視作品里機(jī)器人的溫情滿滿總離不開(kāi)現(xiàn)實(shí)世界機(jī)器人發(fā)展格局的變化，從自動(dòng)機(jī)械裝置到軟體機(jī)器人，科技的背后多了份溫柔，機(jī)器人開(kāi)始走向“柔軟”。

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科技源于生活，而服務(wù)于生活

從公元前4世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德對(duì)壁虎高明的爬行能力“大惑不解”后，其高超的攀爬能力便成為科研人員的重點(diǎn)研究對(duì)象。

而后通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壁虎每只腳上都有數(shù)百萬(wàn)根細(xì)毛，這些腳毛除了能夠插入最平整表面中以外，其大小和頂尖的形狀也強(qiáng)有力的增大了壁虎攀爬時(shí)的粘附力。正是這種超強(qiáng)粘附力，讓壁虎能夠在一塊垂直豎立的拋光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬，并且“只靠一個(gè)指頭”就能夠把整個(gè)身體穩(wěn)當(dāng)?shù)貞以趬Ρ诨蛘叩箳煸谔旎ò迳稀?/p>

壁虎的“絕技”加上蚯蚓、章魚(yú)、水母等軟體動(dòng)物身體的靈活性為科學(xué)家們制造更敏捷、危險(xiǎn)性小、多功能的軟體機(jī)器人帶來(lái)了無(wú)限的靈感。一場(chǎng)科技源于生活，而服務(wù)于生活的故事就此拉開(kāi)序幕。

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1989年，日本岡山大學(xué)軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室完成了早期的部分軟體機(jī)器人制造，即小型柔性機(jī)械手。該機(jī)械手采用白色硅膠材料澆筑而成，利用氣體壓縮原理進(jìn)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)，具有前屈、后伸、內(nèi)收、外展、旋內(nèi)、旋外、環(huán)轉(zhuǎn)7個(gè)自由活動(dòng)度，與人手相似，它也能夠通過(guò)控制抓取力度完成易碎物品的基本抓持動(dòng)作。柔性機(jī)械手的成功也代表著采用硅膠材料和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式的局部軟體機(jī)器人的首次“變現(xiàn)”。

2007年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局綜合應(yīng)用化學(xué)、材料學(xué)與機(jī)器人科學(xué)，研制出了化學(xué)機(jī)器人ChemBot。其超彈性外表皮膚由許多細(xì)胞形狀的小室構(gòu)成。平常狀態(tài)下，可以通過(guò)對(duì)其皮膚的各細(xì)胞小室進(jìn)行氣體填充，引起ChemBot膨脹，改變ChemBot的整體外形。

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必要時(shí)刻，就可以應(yīng)用“變形”特點(diǎn)將ChemBot擠入人類無(wú)法進(jìn)入的各種狹小空間，替代人類完成各項(xiàng)作業(yè)。ChemBot的出現(xiàn)成功開(kāi)辟了軟體機(jī)器人在勘探領(lǐng)域的運(yùn)用,但是它離傳統(tǒng)概念上能隨意運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人還相差甚遠(yuǎn)。

2011年，美國(guó)哈佛大學(xué)以化學(xué)家喬治·懷特塞茲(George M. Whitesides)教授為主的研究小組從烏賊、海星以及其它無(wú)脊椎動(dòng)物獲得啟發(fā)，研制了一種有四只“腳”的小型軟體機(jī)器人，通過(guò)對(duì)“腳”的應(yīng)用，可以讓這種機(jī)器人像蠕蟲(chóng)一樣在非常狹窄的空間里進(jìn)行活動(dòng)。

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這種機(jī)器人，結(jié)合了前幾代軟體機(jī)器人的特點(diǎn)，不僅可以準(zhǔn)確地抓取形態(tài)各異的水果，篩選食物，還可以持握含刺的仙人球。成功做到了降低人類作業(yè)危險(xiǎn)性的同時(shí)完全不損害所抓握的物體。

而后的幾年，軟體機(jī)器人的外表形態(tài)趨于穩(wěn)定。2014年，美國(guó)哈佛大學(xué)又自主研制了一款仿海星的軟體機(jī)器人，此機(jī)器人由高彈性硅膠材料構(gòu)成，并使用電動(dòng)空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力。通過(guò)材料和動(dòng)力的升級(jí)，海星軟體機(jī)器人可以完成長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)的自主運(yùn)行，能夠承受高強(qiáng)度沖擊、碾壓等作用，甚至具備在嚴(yán)寒氣候、大風(fēng)、水坑、火焰炙烤等惡劣條件下工作的能力。

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無(wú)獨(dú)有偶，同年，我國(guó)科學(xué)家對(duì)軟體機(jī)器人的思考也開(kāi)始“奔現(xiàn)”。SRT軟體機(jī)器人CEO高少龍，在其之前任職的北京航空航天大學(xué)成立了“仿生軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室”，中國(guó)在這場(chǎng)機(jī)器人變革中牢牢地跟上了軟體機(jī)器人發(fā)展的快車(chē)。

2015年，意大利BioRobotics研究所設(shè)計(jì)出了一款仿生章魚(yú)，該軟體機(jī)器人在成型材料及驅(qū)動(dòng)方式上進(jìn)行突破，利用硅膠包裹網(wǎng)狀的SMA結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合變形，獲得觸手抓取的動(dòng)力，而機(jī)器人觸手的爬行、游動(dòng)則由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。成型材料及驅(qū)動(dòng)方式的近一步突破為全軟體機(jī)器人的產(chǎn)生帶來(lái)了催化劑。

從部分到整體，軟體機(jī)器人優(yōu)化進(jìn)行中

2016年，美國(guó)哈佛大學(xué)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室Wehner團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的軟體機(jī)器人Octobot成功發(fā)表于《Nature》雜志，再次引發(fā)學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。Octobot是世界上首個(gè)公認(rèn)的全軟體機(jī)器人，其基體由3D打印技術(shù)制造而成，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)提供所需動(dòng)力，采用流體驅(qū)動(dòng)的行進(jìn)方式，無(wú)需電力便可自主運(yùn)動(dòng)，其大小如同成年人手掌，材料成本還不到3美元。Octobot全軟體機(jī)器人的到來(lái)為軟體機(jī)器人發(fā)展帶來(lái)了跨時(shí)代的突破。

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僅隔1年，中國(guó)的“章魚(yú)妖精”出現(xiàn)了，北京航空航天大學(xué)王田苗、文力團(tuán)隊(duì)與德國(guó)自動(dòng)化技術(shù)商Festo合作完成了OctopusGripper的研制，這是中國(guó)軟體機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展的又一次突破。

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2018年，美國(guó)哈佛Connor Walsh教授所研發(fā)出可穿戴的康復(fù)軟體機(jī)器人，研發(fā)該機(jī)器人的目的是為了幫助殘疾人和行動(dòng)不便的人康復(fù)或是作為輔助設(shè)備長(zhǎng)期穿戴。康復(fù)軟體機(jī)器人的出現(xiàn)也成功表明了軟體機(jī)器人涉足的領(lǐng)域在逐漸擴(kuò)大。

同年，中國(guó)CCTV10頻道播出了《創(chuàng)新一線——中國(guó)軟體機(jī)器人》專題，報(bào)道中對(duì)“仿生?魚(yú)軟體吸盤(pán)機(jī)器人”、“折紙結(jié)構(gòu)”、“柔性?shī)A爪軟體機(jī)器人”、“水凝膠”和“章魚(yú)手軟體機(jī)器人”進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，這檔節(jié)目堪稱迄今為止世界上最深入淺出的軟體機(jī)器人綜合介紹。

而后軟體機(jī)器人產(chǎn)業(yè)成爆發(fā)式增長(zhǎng)，全球主要軟體機(jī)器人制造商有Cyberdyne、Soft Robotics、RightHand Robotics、Parker Hannifin、SRT北京軟體機(jī)器人、Myomo、Bionik Laboratories和Panasonic等。

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據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，2019年全球前十大軟體機(jī)器人廠商占據(jù)了49%的機(jī)器人市場(chǎng)份額，其中Cyberdyne是全球最大的軟體機(jī)器人廠商，市場(chǎng)占比為9.61%。不同類型的軟體機(jī)器人中，外骨骼收入市場(chǎng)份額占比最高，在2019年達(dá)到了60.35%，軟抓手機(jī)器人其次，占比為39.65%。

全球軟體機(jī)器人的生產(chǎn)集中在美國(guó)、歐洲和日本，三個(gè)地區(qū)2019年的全球收入份額依次為45.80%、24.33%和21.80%。而消費(fèi)則以中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日本為主，2019年，中國(guó)軟體機(jī)器人銷(xiāo)售額的全球占比達(dá)到31.84%，排名第一。

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巨大市場(chǎng)的催生下，2020年，軟體機(jī)器人進(jìn)入了百花齊放模式，可運(yùn)動(dòng)的、能變形的、會(huì)變色的，科研人員們孜孜不倦地研制出了屬于各行各業(yè)的多功能微型軟體機(jī)器人。

今年3月4日，不枉我們國(guó)家的大力投入和多年鉆研，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院李鐵風(fēng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室，成功研制出一款仿生軟體智能機(jī)器人，并首次在世界最深的馬里亞納海溝實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人深海自主游動(dòng)。其相關(guān)論文更是刊登于世界知名學(xué)術(shù)刊物《Nature》雜志上。

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該研究成果率先提出機(jī)電系統(tǒng)軟硬共融的壓力適應(yīng)原理，成功研制了無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)了在萬(wàn)米深海自帶能源軟體人工肌肉驅(qū)控和軟體機(jī)器人深海自主游動(dòng)。這種環(huán)境自動(dòng)適應(yīng)和智能系統(tǒng)不僅為軟體機(jī)器人開(kāi)啟了新篇章，更將為深海探索科考、環(huán)境監(jiān)測(cè)與資源勘探提供解決方案，直接為復(fù)雜環(huán)境與任務(wù)下機(jī)器人及智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路。

“這一次沒(méi)有刀，我也能保護(hù)你”

其實(shí)相比于傳統(tǒng)剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人柔軟的機(jī)體使其可以更高效、安全地與人類和自然界進(jìn)行交互。在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，抑或遇到懸崖、巖洞、海底等復(fù)雜未知環(huán)境下，軟體機(jī)器人完全可以利用自身柔軟、彎曲程度高、自由度大等優(yōu)勢(shì)很好地適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境，承擔(dān)起勘探、救援、偵查等工作。

在醫(yī)療和手術(shù)應(yīng)用方面，軟機(jī)器人更是天生具有與生物體的自然組織兼容的優(yōu)勢(shì)。哈佛大學(xué)的軟體機(jī)器人手套利用軟體致動(dòng)器組成的模壓彈性腔與纖維增強(qiáng)，誘導(dǎo)特定的彎曲，能夠使肌肉或者神經(jīng)受損的患者獨(dú)立把握物體。步態(tài)協(xié)助軟機(jī)器人可以覆蓋全身，它可以像正常的衣服一樣佩戴，最大限度減少與穿著者的相互干涉，對(duì)穿戴者起到輔助作用。

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微創(chuàng)外科手術(shù)軟體機(jī)器人可以依靠自身的優(yōu)勢(shì)特性，有效地輔助外科醫(yī)生的實(shí)際操作，使得手術(shù)更加精確、傷口更小、流血更少，術(shù)后恢復(fù)所需時(shí)間更短。

所以從“愛(ài)德華”到“大白”，軟體機(jī)器人還能走向何方？軟體機(jī)器人的到來(lái)到底是機(jī)器人時(shí)代的新開(kāi)局，還是人類研發(fā)機(jī)器人史的新轉(zhuǎn)折？值得我們思考與期待。

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