Nature: 世界首個全軟體自主機器人問世

本篇可能是小強強寫過最嚴肅的一篇文章了。不整理發型，不七個隆冬鏘鏘鏘，只是單純分享一點小強強的閱讀筆記。起因嘛，倒也簡單，網上我看過幾篇相關報道，中文一篇，英文好多篇，都不太滿意。作為新聞層面，可能抓噱頭、不求甚解無何厚非；但是在學術狗看來，我幾乎可以打賭，他們并沒有通讀過該篇nature原文。中文的只有一篇，澎拜新聞出的，作者是一個見習記者，王盈穎，我記住這個名字了。我一直很推崇澎湃新聞，依稀記得某次，各大主流媒體頭條都有閆肅前輩被去世的消息，只有澎湃新聞不跟風。澎湃，雄起！！！王盈穎，雄起！！！

2016年8月24日，Nature在線發表了一篇letter，題為“An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots”，直譯為“用于全軟體自主機器人的集成設計和制備策略”。通訊作者為哈佛大學的Jennifer A. Lewis左和Robert J. Wood右，兩人均同時隸屬于兩個機構--哈佛大學paulson工程與應用科學學院，哈佛大學威斯生物工程研究所。其中威斯生物工程研究所大名鼎鼎，雄心勃勃，感興趣的自己去探索撒。

From：哈佛大學

軟體機器人具有許多特性，非常難，大家平時見到的傳統機器人多是硬質材料制成。盡管取得了一些進展，但是之前所謂的“軟體機器人”都被硬質控制系統和供能系統所牽絆。制造全軟體機器人的全新策略，則機器人需要涵蓋這些關鍵組分的軟體類似物，這些類似物就需要發揮他們的全部潛能。

圖片來自：小強強

作者這篇nature報道了一個全軟體機器人，不受牽絆，無黨派人士。該機器人由微流體邏輯系統控制，該系統可以自動規范液體流動，并用裝載的單元推進劑的催化分解，來作為動力。燃料分解產生的氣體使反應室下游的流體網絡膨脹，產生驅動。機器人各部分制造技術如下圖所示。特殊的結構橫跨從微觀到宏觀的多個數量級。作者的集成設計和快速制備方法使得在該結構中的多材料可編程組裝成為可能，為全軟體自主化機器人打下了基礎。

圖片來自：小強強

軟體機器人是一個新生領域，就像政黨誕生會有一個目標一樣，軟體機器人這個領域也有一個偉大的目標--提供更安全更堅固的，與人互動的，更加適應環境的機器人。傳統機器人，大家都見過，各種呆板，各種傻大個，機械舞比較能代表其典型特點；而軟體機器人基于水凝膠等，各種變形，各種擰巴，體操比較能代表其典型特點。列表如下：

列表來自：小強強； 圖片來自：flickr

嵌入氣動網絡的模塑成型的層級彈性體被廣泛用在軟體機器人領域。這些彈性體的驅動策略是：通過拴綁的壓力源來使未壓縮流體或氣體填充到氣動網絡中。基于這一策略，已經開發出仿生驅動的機器人終端執行器、可實現復雜運動的可開展爬蟲、堅固的跳躍機器人等。下圖為2015年的一篇Science中的插圖，是一個跳躍機器人。

圖片來自：Science 349, 161–165 (2015)

讓我們瞻仰一下Whitesides：

圖片來自：wiki百科

創造一個新的種族--全軟體自主機器人，談何容易啊，它需要控制系統和供能系統硬件的軟體類似物。好在已經有人摸索出了用單元推進劑燃料來驅動軟體機器人，單元推進劑暴露在催化劑下可迅速分解成氣體，以驅動軟體機器人。我不會告訴你就是作者所在的課題組，就是那個威斯生物工程研究所。我告訴你吧，幾乎整個體系都是他們自己做的，當之無愧的執牛耳者。

這個手掌大小機器章魚表面是硅膠，Lewis 說“就像浴室的下水塞一樣”。它體內有一個小過氧化氫燃料庫，當過氧化氫流過硅膠外殼中掩埋的鉑顆粒時會分解產生水和氧氣，這些氣體流過八條腿里3D打印的充氣內腔時，招搖的肢體推動著機器章魚會在水中前進。這個復雜的“Octobot”供能原理大家都學過，就是雙氧水的分解。當然要催化了。

通過視頻可以看出，這位“Octobot”好笨啊，可笨可笨呢。各種問題，比如，一次“加油”只能維持4-8分鐘的“生命”；無法自主轉向，只會上下晃胳膊，是不是挺像嬰兒。

軟體機器人領域的挑戰還有很多，列舉如下：

1. 開發計算機控制系統，以允許更大幅度的運動；
2. 對軟體機器人，定義新的設計原則；
3. 改良加工技術；
4. 軟體機器人在現實環境中可以運用的力可能很有限，潛在地限制了其應用；
5. 采用了流體邏輯回路，而不是傳統的電路，這可能限制其運動的復雜度；
6. 需要更深刻的理解軟物質的性質以及他們如何與控制系統及周圍環境相互作用。

澎湃新聞已經有的部分，不再贅述，感興趣者請移步澎湃新聞。

參考文獻：
1. Shepherd, R. F. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 20400–20403 (2011).
2. Wehner, M. et al. Nature 536, 451–455 (2016).
3. Bartlett, N. W. et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by?combustion. Science 349, 161–165 (2015).
4.?全球首個全軟體機器人問世：酷似章魚，無需電力便可自主運動

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