无需电子设备就可任意行走的四足机器人

无需任何电子设备，这种四足机器人可以向任何方向行走，甚至可以避开障碍物。

软体机器人具有内在的安全性，高度的弹性，并且价格非常便宜，这使它们有广泛的应用前景。但与机器人技术的其他领域相比，软体机器人的发展有点缓慢，至少部分原因是软机器人无法直接受益于我们在过去几十年中看到的计算能力、传感器和执行器可用性的大幅提高。取而代之的是，机器人专家必须发挥创造力，找到利用软材料和兼容电源实现传统机器人部件功能的方法。

在最新一期的《科学机器人（Science Robotics）》杂志上，加州大学圣地亚哥分校的研究人员展示了一种软体步行机器人，它有四条腿，由管子和阀门组成的气动回路系统控制，以乌龟般的步态移动。这种空气驱动的神经系统可以从一个单一的压缩空气源依次驱动多个自由度，大大降低了复杂性，并为机器人本身带来了一种非常基本的决策形式。

一般来说，当人们谈论软体机器人时，机器人只是大部分是软的。一般来说，当人们谈论软机器人时，机器人大多是软的。有一些部件很难使其变软，包括压力源和必要的电子设备，以便以可用于推进的方式在不同的软致动器之间引导压力。这个机器人真正酷的地方在于，研究人员利用一个完全由软材料制成的振荡三阀电路，成功地将一个压力源（一根绳子或一个机载二氧化碳滤芯）引导到四个不同的腿上，每个腿上有三个不同的气室。

这一点的灵感可以在生物学中找到，包括四足动物在内的自然生物，利用被称为中枢模式发生器（central pattern generators，CPGs）的神经系统组件来促进用于行走、飞行和游泳的四肢的重复运动。这在某些有机体中显然比在其他有机体中更为复杂，并且通常由感觉反馈介导，但是CPG的结构基本上只是一个重复回路，它按顺序驱动肌肉产生稳定、连续的步态。在这种情况下，我们需要以成对的方式驱动气动肌肉，从而形成一种对角耦合步态，对角相对的肢体同时向前和向后旋转。

Diagram: Science Robotics

(J) Pneumatic logic circuit for rhythmic leg motion. A constant positive pressure source (P+) applied to three inverter components causes a high-pressure state to propagate around the circuit, with a delay at each inverter. While the input to one inverter is high, the attached actuator (i.e., A1, A2, or A3) is inflated. This sequence of high-pressure states causes each pair of legs of the robot to rotate in a direction determined by the pneumatic connections. (K) By reversing the sequence of activation of the pneumatic oscillator circuit, the attached actuators inflate in a new sequence (A1, A3, and A2), causing (L) the legs of the robot to rotate in reverse. (M) Schematic bottom view of the robot with the directions of leg motions indicated for forward walking.

电路本身由三个双稳态气动阀组成,回路本身由三个通过管道连接的双稳态气动阀组成，通过为流经其中的气体提供阻力，可通过改变管的长度和内径来调节阻力，从而起到延迟的作用。在回路中，加压气体的运动既是一种能量来源，也是一种信号，因为回路中的压力在哪里，腿就在哪里运动。最简单的电路仅使用三个阀，并且可以保持机器人朝一个方向行走，但是更多的阀可以添加更复杂的腿部控制选项。例如，研究人员能够使用七个阀门来调整步态的相位偏移，甚至只需要一个额外的阀门（尽管设计稍微复杂一点）就可以实现系统的反转，从而使机器人根据软传感器的输入向后行走。对于另一个复杂的阀门，手动（栓系）控制器可用于全方位运动。

Diagram: Science Robotics

Each of the valves acts as an inverter by switching the normally closed half (top) to open and the normally open half (bottom) to closed.

这项工作与JPL为探索金星而开发的火星车有一些相似之处，当然，火星车不是一个软体机器人，但它在类似的限制条件下工作，因为它不能依赖传统的电子系统进行自主导航或控制。事实证明，有很多聪明的方法可以利用机械（或者在本例中是气动）智能来制造具有相对复杂自主行为的机器人。

关于为什么我们应该对软体机器人如此兴奋，以及软体机器人需要有多软，我们采访了加州大学圣地亚哥分校生物灵感机器人和设计实验室的负责人Michael Tolley和论文第一作者Dylan Drotman。

Q

IEEE Spectrum：软体机器人能够为我们做到哪些刚性机器人的设计所不能完成的呢？

Michael Tolley：在最高层次上，机器人学的一个基本假设是，你的刚体连接在关节上，你的所有运动都发生在这些关节上。这是一个非常好的方法，坦率地说，它简化了控制。但是当你环顾我们周围的自然界时，即使动物确实有骨头和关节，我们与世界互动的方式也比这个简单的故事要复杂得多。我感兴趣的是我们可以把机器人的材料特性应用在哪里。如果你看看那些必须在非常未知的环境中工作的机器人，我认为你可以把一些如何处理这些环境的智能植入机器人的身体中。这也是这项工作真正属于的范畴。

Dylan Drotman：穿过密闭空间就是一个很好的例子。有了刚性腿机器人，你就必须完全改变腿部移动的方式，才能在受限空间中行走，而如果你有柔性腿，就像我们论文中的机器人一样，你可以通过使用相对简单的控制策略，就可挤过一个用刚性系统无法通过的区域。

Q

一个软体机器人能有多聪明？

Drotman：现在我们在前面有一个传感器，它通过流体传输连接到一个双稳态阀上，这个双稳态阀使机器人反转。我们可以在机器人周围添加其他传感器，让它在遇到障碍物时改变方向，这意味着，可以由此有效地制造出无电子设备版本的Roomba。

Tolley：退一步，我们可以提出一个论点，我们使用基本的记忆元素来产生非常基本的信号。原则上没有什么能阻止人们制造气动计算机——这是非常复杂的。我认为你可以在此基础上做更明智的决策，但使用这种特定的设计和我们使用的组件，很可能是对环境更直接的反应。

Q

机器人的尺寸可以缩小到什么程度？

Drotman：目前我们正在手工制造这些部件，所以我们的想法是制造更像印刷电路板的产品，并研究通道尺寸和阀门设计如何影响驱动特性。我们还将推出新的电路，以及电路本身的不同设计。

Tolley：到厘米或毫米尺度，我认为不会有基本的流体流动问题，我认为将更多地受到系统设计约束的限制。必须能够在携带着你的压力源的同时运动，可能还有一些其他的部件仍然是刚性设计的。当你开始谈论真正的小尺度时，我并不清楚你是否确定真的需要一个本质上柔软的机器人。比如昆虫，虽然它们的几何结构可以让它们表现得像是柔软的，但它们并不是本质上整体都是柔软的。

Q

几年前，有一些有趣的想法是利用“爆炸”来驱动软机器人。这是同一件事吗？

Tolley：使用软体机器人的一个机会是，在材料合规性方面，你有潜力储存能量。燃烧是一种方法，能量能够一次性来自于化学物质，但也可以利用相对较弱的肌肉，随着时间的推移，它会将能量储存在柔软的身体中，然后释放出来。

Q

期望软机器人具有完全的柔软性是现实的吗？还是说，因为它们必须以某种方式储存、产生和移动加压气体，所以它们可能总归会是一些坚硬的部件？

Tolley：如果你观察自然界就会发现，比如像心脏一样的软泵，尽管它是软的，但它还是相对坚硬的。比如，如果你抓住一颗心，它就不会完全变软 – 虽然我没做过，但我可以想象。如果你有一个正在加压的容器，它必须足够坚硬，但又不能像气球一样爆炸。当然，气动或液压不是唯一的方法，另外有一些非常好的想法比如智能肌肉和智能材料，液压静电（HASEL）驱动器。它们看起来很有前途，但所有这些执行器都面临挑战。我们选择在短期内继续使用加压气动系统；从长期来看，我想你会看到更多的智能材料致动器变得更加实用。

就我个人而言，软体机器人中仍有一些刚性部件我觉得没有任何问题。陆地上的大多数动物都有一些坚硬的组件，但它们仍然可以利用柔软的优势，所以最终，这很可能会变成一种组合。

原文标题：软体机器人使用气动电路可以像海龟一样行走

文章出处：【微信公众号：IEEE电气电子工程师学会】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

责任编辑：haq