模仿猎豹的软体机器人

李赫

7 cm长，45 g重，上能陡坡奔跑，下能水中游泳，能跑能跳还能举重物……而它，只是个长得像软糖的软体机器人。其最为霸气的一面，或许是它的模仿原型———猎豹，没错，就是追“急支糖浆”的那只动物，但它也是陆地上奔跑速度最快的生物。

由于软材料本身的局限性，难以快速存储或释放大量机械能，一般软体机器人的运动速度和操作强度也会受限。不过，小猎豹之所以为小猎豹，就在于它与一般软体机器人不同。

受猎豹高速奔跑过程中脊柱活动机制的启发，研究人员将基于双稳态脊柱的混合软致动器用于软体机器人的设计中，通过可逆的贯通双稳态实现类似的脊柱屈曲和伸展。由此，小猎豹不仅能进行高速运动，在高强度物体操纵中也能够得心应手。

研究论文现发表于Science Advance，题为“Leveraging

elastic instabilities for amplified performance： Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”。文章指出，小猎豹约7 cm长，重达45 g，主要由2部分组成：弹簧驱动的双稳态结构（作为骨骼脊柱）、2个软性气动弯曲致动器（作为骨骼肌）。

想象一下猎豹奔跑时的体态，脊背弯曲，四肢伸展腾空，落地时四肢收缩交错蹬地。既然是以猎豹为原型，小猎豹也是这么跑起来的，如图：

小猎豹能够利用软性气动弯曲致动器在2个稳定状态之间实现快速，可切换弹性突跳。

前面提到，一般的软体机器难以储存和释放机械能，由此研究人员在设计小猎豹时加入了线性弹簧，连接小猎豹的骨骼脊柱，通过弹簧预紧力或者调整弹簧的刚度实现能量储存。在小猎豹的结构设计中，弹簧起到了放大器的作用，不仅提高了速度和作用力，还提升弹性的调节空间。这样的设计，研究人员称其为双稳态混合软致动器设计。

从表现来看，小猎豹在奔跑时，其骨骼脊柱会上下弯曲，四肢在收缩和伸展之间变换，在腾空或觸底时，脊柱伸展至极限，其软性气动弯曲致动器和弹簧处的能量会处于低点，这便是双稳态。

值得注意的是，小猎豹尚未能主动制动，而需要连接气管充气，通过空气泵交替弹开，让小猎豹在正弓蹬地和反弓腾空之间变换跃进。

猎豹是陆地上奔跑速度最快的生物，其速度最高可达29 m / s，那么这个模仿猎豹的7 cm迷你小猎豹机器人在实际运动中的表现如何？

机器虽迷你，但不得小觑

研究指出，小猎豹机器人在3 Hz左右的低驱动频率下，其速度可达每秒2.7个体长，约18.75 cm/s。和猎豹的风采比起来，小猎豹看起来好像不是很厉害的样子。

但要知道，小猎豹是软体机器人，与猎豹不是同一对象类型，因此将二者进行对比无实质意义，正确的对比对象应为其它软体机器人。

对比以往的软体机器人，其最快速度仅有每秒0.8个体长，而小猎豹的速度是其3倍多。不仅如此，以往的软体机器人只能在地面上爬行，而小猎豹不仅能上坡，还能下水，甚至在物品抓取方面，也是“尖子生”。

在爬坡测试实验中，研究人员将小猎豹与另外2种软体机器人放置于在倾斜角为17°的坡面。结果显示，仅有小猎豹能够快速上坡，另外2个软体机器人均显得十分吃力，且上坡失败。

在入水试验中，研究人员将小猎豹的软性弯曲致动器重新封装，以适用于水下运动。改良后的小猎豹长度约150 mm，质量为51 g，其中弯曲致动器的长度为45 mm。

实验结果显示，小猎豹在水中的行进速度可达11.7 cm / s，比另外2个软体机器人分别快32%和122%。

在抓取作业中，小猎豹软体机器人不仅能够抓取鸡蛋这种易碎物品，11.4 kg的重物也不在话下。至于能够抓取多重的物体，主要还是取决于弹簧，弹簧刚度越高，其抓取能力越强。

不过，对软体机器人而言，抓取易碎物品的要求比抓取重物更高。首先，在物品抓取时要足够轻，其抓手在柔软之余还要具备抓力；另外，在移动的时候，弹簧要始终保持在不活动状态。正所谓，拿也轻轻，放也轻轻。

软体机器人任重道远

对比刚性机器人，软体机器人的发展较为滞后，对比已经在巡逻、配送和教育等场景中走向应用的刚性机器人，软体机器人目前尚处于产出学术成果的阶段。

香港科技大学机器人研究院院长王煜曾在世界机器人大会上表示，软体机器人发展面临着三大关键问题———机械运动原理、刚性结构、驱动和反馈。

同时，他补充称，软体机器人越来越多，小问题都有多多少少的进展，慢慢地这些成功的案例和经验能够融合在一起，使得软体机器人在理论上有所发展；模仿猎豹的软体机器人便是理论研究发展之一。

尽管只是一个小小的进步，但任何质变的产生，不都是量变的结果吗？