Science Robotics封面论文：无电子元件 软体机器人如何行走？

外形上，它就像是用粗细不一的塑料管拼接而成，似乎有点不太高级的亚子，不过这堆“塑料”既然能登上机器人领域顶刊封面，也是有两把刷子的——不同于大多数的软体机器人，这款机器人并非由机电组件控制，通过软阀组成的环形振荡器就能动起来。

2021 年 2 月 17 日，相关研究成果以 Electronics-free pneumatic circuits for controlling soft-legged robots（控制软体足机器人的无电子气动电路）为题正式发表于 Science Robotics，并登上当期封面。论文作者来自美国加州大学圣地亚哥分校机械工程系和材料科学与工程专业。

无电子元件的机器人研究背景

气动软体机器人（pneumatically actuated soft robots）有着很好的环境适应能力。

在机器人与自动化国际会议 ICRA 2017 上，加州大学圣地亚哥分校机器人实验室就曾公布了一款 3D 打印的软体四足机器人，研究团队宣称这款机器人能够征服所有地形。

这一机器人靠气体驱动，每条腿都由 3 条可伸缩的充气橡皮管制造而成，四条腿呈 X 形相连，通过充气或漏气的设计就能走起路来。

如下图所示，不少机器人都是受机电组件（例如阀门和泵）控制，而通常情况下机电组件既笨重又昂贵。

基于此，研究团队利用软阀设计了一种环形振荡器（oscillators）。

工作原理

振荡器可以被用来产生重复电子讯号，它是一种能量转换装置，能将直流电能转换为一定频率的交流电能。

通过这样的一个环形振荡器，就能产生振荡信号（oscillating signals），接着振荡信号由气动逻辑元件响应传感器输入，步态产生。

产生振荡信号的一过程类似于包括四足动物在内的自然有机体使用中枢模式发生器（CPGs）实现行走、飞行和游泳等四肢重复运动。

通常情况下，这一过程由感觉反馈介导，但 CPG 的结构基本上只是一个重复回路，驱动肌肉按顺序产生稳定、持续的步态。在这种情况下，气动肌肉被驱动成相反的一对，形成一个对角（线）双步态，呈对角的两条腿同时向前和向后旋转。

论文介绍，这款机器人的每条腿都有 3 个自由度，需要一个恒定的压缩空气源来支撑控制系统和驱动系统。

具体来讲，研究人员成功地将压力源（可以是一根绳子，也可以是一个内置的二氧化碳插装盒）通过一个完全由软性材料制成的振荡三通阀回路引导到四条腿上，而每条腿上都有三个不同的气室。

那么，振荡三通阀回路的原理如何呢？

据了解，回路本身由三个双稳态气动阀门组成，阀门通过管道相连接，通过管道对气体的流动提供阻力（可通过改变管道长度和内径来调节）。

在一项实验中，研究人员发现：

• 使用 3 个气动记忆元件（阀门）即可控制基本步态；
• 通过 2 个振荡器电路（7 个阀门），即可将运动速度提高 270%。

研究人员设计了一个气动记忆元件，模拟一个双极双掷开关（double-pole double-throw switch，DPDT switch，双刀双掷开关是具有 2 个输入和 4 个输出的开关，每个输入都有 2 个对应的输出）。

此外，他们还演示了一个允许机器人在步态之间进行全方位运动和响应传感器输入的控制电路。

值得一提的是，NASA 喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）正在开发的一款金星探测器虽然并非软体机器人，但由于不能依赖于传统的电子系统来进行自主导航或控制，因而也是以类似的方式运行。IEEE Spectrum 报道称：

事实证明，要想使机器人完成相对复杂的自主行为，可以有很多聪明的方法。

软体机器人如何发展？

一般而言，所谓的软体机器人都不是我们想象中那样的通体由软性材料构成，这是因为开发出柔性的供能、控制元件（例如柔性电池和电路板）一直是一大难点。

而上述机器人最酷的地方就在于另辟蹊径实现了步态控制。

研究团队表示：

这项研究是迈向完全自主无电子元件机器人应用的一步，不论是低成本娱乐机器人的发展，还是在极端环境下机器人的应用，这款研究都起到了推动作用。

其实这一突破并非首次实现——早在 2016 年，哈佛大学维斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）也曾设计了一款软体机器人，号称“世界第一个完全软体的且自我驱动的机器人”。

据相关论文介绍，这只全软体“小章鱼”无需外界给予任何控制、刺激，可以独立运行 4-8 分钟。它真正具有里程碑意义的特点就在于：可以在没有电池和电路板的情况下自我驱动。

即便如此，软体机器人的发展依然较为缓慢，正如 IEEE Spectrum 的观点：

本质上，软体机器人应该是安全的、灵活的、非常便宜的，这些特征使其有望得到广泛应用。但相对于其他领域的机器人，软体机器人发展较慢，其中一个原因就是软体机器人不能直接受益于过去几十年里算力、传感器和致动器等的显著发展。

无疑，软体机器人的发展离不开包括材料学、机器人学、生物力学、传感与控制在内的多学科进步，随着相关学科近年来的迅速发展，各种不同驱动方式的软体机器人开始涌现。