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[软体机器人]神奇软体机器人|哈佛可穿戴式软体

  软体机器人比较高端的应用莫过于在医学上的了。研究员们已经做出了直径为1.8mm的样机,并希望通过它可以让未来的手术变得更容易一些。报告中称,现在有一种可能性就是通过它来将导管来引入人们的体内,研究小组暂时还没有找到足够勇敢的志愿者来验证这一试验。

  “我们的目标是将软体机器人应用在那些不可探测甚至是未知的环境里。”报告的另一作者Laura Blumenschein说道:“如果你将这种可以应对任何障碍物的机器人放在这种环境下,你也不需要担心它是被破坏了还是卡住了,因为他会一直长出来新的‘组织’”因此,软体机器人在未来的应用会很广泛。

  一般来说,有效的控制一个机器人往往需要一个掌握它本身动态的精确模拟程序,而这也是对于软体机器人的一大挑战。Greer说道:“目前,我们还是通过相机来导引软体机器人的行动,而这就意味着它接收影像和处理影像的速率必须是相同的。对于我们来说很有挑战性的一点,就是我们要发明出一种即快又精确的算法来更好的控制机器人。”

  近日,一群来自斯坦福的研究员们在《科学机器人学》(Science Robotics)期刊上发表了一篇关于软体机器人的报告。此报告一出,立刻引起了科技圈很多人的关注。那么,这种打破传统运动理念的机器人到底是什么样的呢?

  Greer还说,软体机器人可以通过向内部加压的方式来举起物体。表面上看起来,软体机器人内部的压强很小,但根据压强公式P(压强/帕)=F(力/牛)/A(表面积/平方米),只要软体机器人与物体接触的表面积够大的话,它就可以支撑起很重的物体。就算表面积不够大,软体机器人总是可以长出更多组织,进而增加表面积。举个例子,如果一个软体机器人的内部压强是3psi(20.684KPa),它就可以举起盛有300磅物体箱子,前提是箱子的底面积为100平方英尺。

  它可以轻易地挤进狭小的空间内,所以它可以轻松的胜任在灾区的救援工作(比如说穿过废墟来搜寻人类生命痕迹)。在未来的改进版本中,现在机体内的加压气体也可以替换成液体,以达到给被困群众提供水源的目的。

  “这种运动方式的一大好处就是,即使机器人的本体被卡住了,它的生长端可以不断地长出新材料来增长它的体长,进而让它保持运动状态。”报告的首席作者,加州大学圣巴巴拉分校的副教授Elliot Hawkes这样说。

  虽然看起来很高大上,软体机器人的基本理念实际上十分简单:它体内贮存着很多与本体相同的材料,当内部加压时,软体机器人就会像植物一般将体内的东西“生长”出去。这样,它就可以做到一端静止,另一端通过生长的方式进行运动,这也是这项设计的可贵之处。

  大自然中的藤类植物总是喜欢沿着树木的躯干来向上爬。在它爬的过程中,他们本身不动,而是通过自身生长的方式跨越了很长的距离。受这种运动方式的启发,他们研制出了一种近似于藤蔓的软体机器人。

  报告的作者之一, Joey DavisGreer表示道,在机器人领域,可以自我“生长”能力还没有得到应有的重视与开发。“我们的理念就是找出一种不需要本体运动的移动方式”,报告的作者之一,机械工程教授Allison Okamura解释道,“这与自然界中动物的运动方式完全不同。”

  软体机器人装备了相机和探测器,使得它能以时速22英里(35公里)的速度轻易地在复杂环境中钻来钻去。

  预计晶体将作为软体机器人的运动材料发挥重要作用,其机械运动通过弯曲和伸缩来实现 然而,更多的运动方式仍在进一步探索。

  “行走和滚动运动背后的驱动力来自晶体的不对称形状,”Koshima解释道。

  未来,Koshima团队将继续研发更低温度下发生相变的机器人晶体。

  尽管需要进一步研究如何控制机器人晶体的方向和速度,以便在未来进行应用,但这一发现为晶体机器人这一新领域开启了一扇大门,并且在更大范围内为解决人口老龄化问题又前进了一步。

  Koshima还指出,“目前,机器人仍然僵硬而沉重,使他们不适合与人类的日常互动。我们的晶体可以作为一种新型材料,用于提高软体机器人的安全性和舒适性。随着老龄化社会的到来,我们必须考虑人与机器人共存,不久的将来,机器人可以照顾包括老年人在内的弱势群体。”

  该团队使用红外热成像相机和数字光学显微镜观察到,纵向厚度梯度的薄而长的板状晶体通过在转变温度附近热板的加热和冷却循环下反复弯曲和矫直, 30分钟内移动1.5mm。另一方面,宽度梯度较薄的较长板状晶体在0.2秒内滚动3.1mm,通过倾斜弯曲然后翻转而加速,只经历了一个加热和冷却过程。

  此前在2016年,Koshima的研究小组发表报告称,手性偶氮苯晶体暴露于光下会弯曲。在本次研究中发现,即使在多次加热和冷却后,晶体在145℃下都不会破裂而发生相变。基于这些发现,他们设计了两种运动模式的机器人晶体:行走和滚动。

  他们开发了一种机器人晶体,尺蠖式行走,走得非常慢,滚动的速度倒是比走路的速度快2万倍。这种自主移动的有机晶体作为未来软体机器人的制造材料具有巨大的潜力,尤其是在医疗领域。

  创造软体机器人来照顾人类,日本早稻田大学的科学家们可以已经抢先一步,据外媒报道,他们最近发明了一种制造软体机器人的材料,可能是你从未想到过的。

  早稻田大学纳米与生命创新研究组织的客座教授Hideko Koshima表示,“晶体灵活、耐用且轻便,他们可以被用作在微观区域输送物质的微型机器人的制造材料,例如,携带不育症治疗的卵细胞或进行侵入性手术。”他们的研究成果发表在2018年2月7日出版的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

  比如下面这个动图,你触碰一下掌心,它就会自动合上手掌。

  我国康复机器人市场规模和成长空间巨大。到 2030 年,中国 65 岁以上的人口的全国总人口比重将提高到 18.2%。广发证券在此前发布的研报中认为,人口老龄化将推动医疗及护理机器人快速产业化。预计国内未来 3-5 年内会出现成规模的医疗或护理机器人企业。去年 3 月,国家卫计委联合 5 部门印发《关于新增部分医疗康复项目纳入基本医疗保障支付范围的通知》,在原已纳入支付范围的 9 项医疗康复项目基础上,将“康复综合评定”等 20 项新增康复项目纳入医保支付范围。

  软体机器人(Soft Robotics)可以说是现代机器人产业中的“奇葩”,和目前机器人最常用的刚性结构不同的是:软体机器人具有多自由度且结构简单可以做到更加灵活更有利于模仿人手等一些动作。因此,软体机器人能够在保证灵活性和柔韧性的同时,在三维空间中自由活动。

  今天的主角是这款哈佛大学的可穿戴式软体康复机器人。说到把软体机器人和康复辅助器具联系起来的始作俑者,就不得不提到哈佛大学Wyss实验室的Connor Walsh教授。

  与普通的软体机器人不同,哈佛这款可穿戴式的软体机器人是作为一款辅助设备进行使用的,Connor Walsh教授表示希望使用者能够把他当成一件衣服一样可以整天穿在身上。

  这款软体机械装置,可在不与血液接触的情况下帮助心脏跳动泵血。由于新装置并不会直接接触到血液,进而降低了血管阻塞的风险,未来使用该装置的病人不必再服用具有潜在危害的血液稀释类药物。

  (Wyss实验室的Connor Walsh教授)

  这位穿star warsT恤的老铁在十年前一场事故已经瘫痪多年,在使用几个月后能勉强写字和抓取一些东西,使用工具,展现出了不错的恢复状况。他表示也愿意长期使用这装置来帮助自己更好的生活。

  整个机构就是像这样从一个基础的动作开始,逐渐往复杂方向延伸,和不同部位之间协同合作以达到复杂的动作。

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  比如碰一下这里,自动开掌等。

  气动肌肉可模拟出食指的轨迹

  除此之外早在2014年Connor Walsh 教授就研发出柔性外骨骼 Soft Exosuit,可以有效改善足下垂。传统金属风格的外骨骼不同,Soft Exosuit 由编织成带状的纺织物组成,可以包裹佩戴者的腰部和腿部,非常柔软也具有韧性。机器内置微处理器、传感器和能源,腰部会置入马达,提供力量和机动性。目前处在测试阶段。

  过去五年,软机器人技术正在爆炸。“世界第一个全软体机器人 Octobot 的诞生,意味着一个新时代已经来临,软体机器人即将全面超越传统钢铁铸成的机器人。”意大利理工学院的 Barbara Mazzolai 和 Virgilio Mattoli 联合在《自然》杂志上撰文表示。

  皮一下放几张最近几年的软体机器人供大家欣赏

  在没给大家正式介绍前,先给大家看看这个可穿戴软体机器人的前身。就是下面这个气动的软体手部康复装置。

  Connor Walsh研究生毕业于都柏林大学三一学院机械工程专业。在学生时代,他听说了美国研发的机械外骨骼如何帮助人搬运重物,此后便开始着迷于机器人技术。随后,他申请攻读MIT博士学位,在世界著名的生物力学专家 Hugh Herr教授那里做研究。当 Walsh 搬到哈佛,设立了生物设计研究所之后,他决定另辟蹊径——开发“柔性机器人”。

  你看这灵活的手指

  下面是详细的报道视频。

  软体机器人不是传统机器人技术的一部分,”瑞士苏黎世联邦技术学院仿生机器人学教授福米亚·利达说。“它们必须要以完全不同的思维来对待,用不同的材料制造,用不同的能源驱动。这是我们未来的必然之路。”

  这种可穿戴设备是非常轻量级的,人们可以整天穿着它。人们可以穿着它短期恢复受伤,病情比较严重的人可以使用它作为长期辅助设备。目前这个机器手的困难是如何将其做的更加舒服更加方便使用,整个机器内部包裹着气囊,内外层是一些纺织材料。表面还有很多传感器。

  本月初美国国家科学基金会放出了一段视频,视频内容是关于哈佛Connor Walsh教授所研发的可穿戴康复软体机器人,目的是为了帮助残疾人和行动不便的人康复或是作为辅助设备长期穿戴。

  这款康复手套使用的是一种人造气动肌肉,其本身就是一种橡胶材料。肌肉内部有不同形状的空腔,通过气泵对肌肉充气就能使其形变。它的原理其实就是想通过气动控制材料变形来模仿人手的活动,比如说下面这张动图就是演示它的单根手指的情况。

  气动肌肉也可模拟出大拇指运动轨迹

  有弹性,还能伸长

  各位老铁看官有没有觉得像是一条虫子趴在手上,怕虫子的看官快速往下翻。

  经过几年的发展,他的研究团队被NSF(美国国家科学基金会,NationalScience Foundation,United States)赞助,目前他们正在努力打造一款可穿戴的软体机器人,用来帮助那些残疾人,或是做完手术身体机构需要恢复的人去康复等等,目前该装置只包括上肢。

  这种软体机器人有多种用途,例如通过崎岖地形或钻进稠密空间等。由于它在行动时悄无声息,基本不发出噪音,因此可用于侦测敌情。