摘要：软体机器人作为机器人领域的极具潜力的分支，凭借其柔软、可变形的结构，能够灵活适应各种复杂的工作环境，在智慧农业领域、水下机器人领域、人机交互与康复领域展现出巨大的潜力。

软体机器人作为机器人领域的极具潜力的分支，凭借其柔软、可变形的结构，能够灵活适应各种复杂的工作环境，在智慧农业领域、水下机器人领域、人机交互与康复领域展现出巨大的潜力。

然而，传统机器人大多依赖集中式处理器进行控制，这种设计结构在一定程度上限制了机器人的运动速度和灵活性，使其在复杂环境下的适应性和自主性方面仍存在不足。因此，开发新型的控制和驱动技术，以提升机器人的运动速度、灵活性和适应性，成为当前机器人技术发展的重要方向之一。

▍从生物学到机器人：提出一种基于自振肢体的快速自主运动新思路

为了突破传统机器人驱动与控制的局限，荷兰原子与分子物理研究所的Alberto Comoretto、Harmannus A. H. Schomaker和Johannes T. B. Overvelde，提出了一种基于自振肢体与环境之间的物理相互作用实现快速自主的机器人运动策略。实验显示，通过显式流体耦合与隐式环境交互，多肢体机器人可协同产生快速运动与避障、水陆切换的自主行为。该研究为机器人动力学领域提供了一种创新的技术方案，并成功打造出首款能够实现快速移动的软体机器人。

图2 (a)动物的运动剖析(b)棒虫的肢体运动剖析(c)海星的肢体运动剖析(d-l)软体机器人的肢体结构与运动原理

研究论文以"Physical synchronization of soft self-oscillating limbs for fast and autonomous locomotion"为题发表在《Science》上。作者为Alberto Comoretto、Harmannus A. H. Schomaker、Johannes T. B. Overvelde 。

▍仿生运动与自振荡驱动：软管肢体的创新设计

自振荡肢体是一种基于细软管自振荡行为开发的独立肢体装置。研究团队从动物的运动机制中获得启发，例如海星通过神经环以分散的方式协调其五只手臂，从而实现快速的步态运动。借鉴大自然中生物的运动机制，该团队设计了一种自主振荡肢体，通过细软管的自振荡行为来驱动机器人进行步态运动。

在这种设计中，软体机器人的肢体由弯曲的薄壁硅胶管构成，并被固定在3D打印的支架内。为了研究软体机器人的自振荡的规律，对机器人进行自振荡实验。当未施加气流时，软管将保持稳定状态；当在软管左侧入口处施加15SLPM的恒定气流时，软管肢体将开始自发振荡，其振荡频率为100Hz。

此外，为了分析出管宽的局部最小值与显性及非显性扭结之间的关系，该研究还对管材中的扭结波现象及其与管结间压力的相互作用进行了实验。如图4所示，实验首先对管材的外边缘和内边缘进行检测，再将其映射到沿管材中心线的新坐标系中。该实验结果得出管材中的扭结波与压力相互作用是自振荡现象的核心机制，而软管中的恒定气流流速则可以调节振荡频率，从而使肢体的振荡变得可控。

▍多肢体耦合技术：驱动软体机器人迈向超快运动

然而，单个自振荡肢体无法实现软体机器人的实际应用。为了解决这一问题，研究团队提出了一种多肢体耦合技术，将单个自振荡肢体集成到多肢系统中，通过多肢体内部耦合实现软体机器人的同步运动。

通过将两个相同的耦合管并联，即可实现软体机器人两个肢体的耦合。为了进一步研究软体机器人的多肢系统规律，对机器人进行如图5所示实验。当为软管入口提供恒定气流时，发现短于12cm的耦合管表现出肢体同步规律，而长于12cm的耦合管则表现出反相同步的规律。因此，研究团队基于该规律构建出具备四个强耦合自振荡肢体的软体机器人。

该耦合方案构建的自振荡肢体机器人具备以下优势：

1.该软体机器人在大小、重量和绝对速度方面，接近动物蟑螂的性能。而蟑螂是在其相似体型范围内速度最快的无脊椎动物之一。

2.它的所有肢体均可自主同步激活，并以类似瞪羚的慢步态奔跑。

3.多肢体机器人相较于单肢体机器人速度更快，并且还可通过缩短扭结管间的距离，实现更高的振荡频率。

▍隐式环境耦合：突破软体机器人快速自主运动的瓶颈

为了让机器人实现无线运行，研究人员改进了具备四个强耦合自振荡肢体的机器人，通过两个微型气泵和锂离子聚合物（LiPo）电池对机器人进行驱动，开发出了一款真正的无线软体机器人。

如图6所示，研究团队将两个袋管作为软体机器人的肢体，每个软袋管均由独立供电的空气泵驱动。当打开空气泵时，软体机器人将自主地以约2Hz的频率进行跳跃，每个跳跃周期包括站立和摆动阶段。令人惊讶的是该机器人的速度较现有无线软体机器人快一个数量级。此外，多肢体软体机器人还搭载了两个光敏电阻传感器用于模拟生物的“眼睛”，进而实现机器人的自主趋光行进能力。

▍结语与展望

软自振荡肢体同步技术是软体机器人领域的一项创新性突破。该研究基于物理同步和自振荡肢体的运动策略，实现了软体机器人的协同超快运动（速度可达1.1 m/s）以及自主行为（例如避障和切换）。

研究团队提出的通过物理设计实现软体机器人动物级性能的技术方案，采用去中心化的运动策略，实现了机器人快速、自主的运动。这一策略为驱动和控制能力有限的自适应机器人提供了全新的行进运动方案。

未来，软自振荡肢体同步技术或将结合先进的材料科学、流体力学和机器人设计，开发出更智能、更高效、更适应复杂环境的机器人，并在工业、医疗等应用领域展现出巨大潜力。

参考文章：

来源：机器人大讲堂