Soft Robotics:从海洋生物获取设计灵感的软体机器人

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Soft Robotics:从海洋生物获取设计灵感的软体机器人

“情人节”的那一天,在马萨诸塞州剑桥市的软体机器人公司 Soft Robotics,一名工作人员将 Peeps 品牌的心形棉花糖放在传输带上。接着,机械臂将它们一个个夹起来,轻轻地放在附近的盒子里。看起来,整个过程都没有要庆祝浪漫节日的意味,但这其实是一次值得纪念的胜利。

Soft Robotics 的 RL7 及其他机器手可以可靠地实施我们每天无数次从事的体力工作,当然也会从中学到许多东西。它们可以夹起柔软的物体,放在需要它的地方,而且全程无需用计算机视觉系统或任何预先编好的程序来识别物体。

除了粉红色的 Peeps 棉花糖,Soft Robotics 的实验室中放满了各种奇形怪状的物体——花生袋子、菲比精灵娃娃、《冰雪奇缘》塑料玩具等。Soft Robotics 首席执行官卡尔·沃斯(Carl Vause)承认,实验室具有成为“一元店”的潜质,里面每一件物品都是因为外形的易变性而被选中。但他解释说,所有这些东西都充分反映了现实世界的产品。

Soft Robotics 创立于 2013 年,如今硬件厂商和零售商利用该公司的机器手,抓取并打包任何东西——从巧克力、注塑模具到披萨生面团。Soft Robotics 的机器手看上去与人手不一样,它们由卡通式四方橡胶、亮蓝色指状物组成,而指状物可以猛地咬住目标,就像章鱼捕捉猎物一样。

Soft Robotics 这一名称让人不禁想起用于制造机器手的软体材料,以及整个机器人行业的一个子类别。沃斯回忆说,2011 年他与乔治·怀特塞兹(George Whitesides)共同发表了 一篇论文 ,从那时开始他就有了创建 Soft Robotics 的想法。怀特塞兹如今是 Soft Robotics 董事会成员。

在论文中,这位哈佛大学教授详细描述了一种四条腿、X 形的四足机器人,它看上去就像要紧紧吸住《异形》续集中一位毫无戒心乘客的面孔一样。他们在论文中写道:“我们对一种独特的机器人类别十分感兴趣,即用特殊材料制造的软体机器人,这种材料并不通过坚硬的躯干来提供机械力。这项工作的目标是展示一种新型机器人,只需简单的设计和控制就能产生移动能力。”

为了设计出一种既能走路又能钻进门下小缝隙的软体机器人,怀特塞兹寻求在人类之外的领域获取灵感。与之前的每一位机器人技术专家一样,怀特塞兹的团队最终在海洋中找到了这种灵感。

Soft Robotics 最终推出的产品在互联网引发巨大的关注,因为它可以通过膨胀来控制单个肢体并行走,同时还有一张诡异的面孔。同一年,怀特塞兹的团队将这项设计应用于他们的第一款灵活的机器手——那次的外形像海星。

Soft Robotics 的机器手包括牵引线和用于输送压缩空气的管道,怀特塞兹的团队表示,这种机器手可以抓起生鸡蛋 ,同时还不会将它弄碎。这个团队还用机器手抓起了活体老鼠,演示了如何使用合适的聚合物材料和气压,而且还能安全地抓起物体,同时又不会带来任何损坏——这种行为要求机器手必须拥有远比更高硬度机器手先进的计算机视觉和传感器系统。

沃斯说:“我们看到,这项突破性技术能以简单的机器人技术来实现像人类一样的灵巧度。传统机器手在抓取东西时,必须知道物体的准确位置。还要计算它的路径,这就会产生大量数字运算,因为它的手指上部署了传感器,所以必须要恰到好处地抓住它,由于涉及如此多的步骤,解决方案就会变得非常慢且十分冗长。”

到 2014 年,Soft Robotics 造出第一个原型产品。2015 年晚些时候,Soft Robotics 开始将机器手推向商用市场,将它们安装在 ABB 等公司的第三方工业机械臂末端。自上市以来,Soft Robotics 机器手在食品运输领域取得了最大的成功。在这个领域,产品在尺寸和外形上极少遵守严格的一致性标准。另外,由于食品行业的设备在用完一天后都需要冲洗,所以机器手就有了在这个行业大展身手的机会。

沃斯说:“我们在创立之时曾想,我们会在三年时间内专注于在食品行业发展。洁净的机器人系统能直接处理食物,这种能力在食品行业具有巨大的需求。所以,我们现在 80%的业务都与食品有关——从面包烘烤到食物生产等各个环节。”

Soft Robotics 并不是第一家将以公司命名的技术带到制造与物流行业的公司。创立于 2012 年的 Empire Robotics 曾推出过 Versaball——这款机器手根据相同的原理设计,把极简主义带向极致。Versaball 由气球一样的球状物构成,里面装满了像沙子一样的颗粒状材料。空气可以用泵充入 Versaball 并排出,从而调节抓握的力度。Versaball 制造出来并不是为了处理食品,因为食品需要进行分类,然后运到工厂的不同包装点,这是 Versaball 小型金属部件无法胜任的工作。

尽管媒体对 Versaball 作出了积极评价, 包括深夜与吉米·法伦(Jimmy Fallon)进行喝酒比赛(Beer Pong),但 Empire Robotics 仍然走向了失败。气球状机器手无法承受高度重复的工业用途。这家公司最终在 2016 年归于沉寂。

但是,以头足类动物为灵感设计的 Soft Robotics 机器手似乎受到青睐,这要归功于它不需要任何小零件就能实现多功能性,同时组装流程也得到简化。沃斯表示,根据机器手在特定环境下所要处理的产品类型,安装者只需选择橡胶手指的类型进行安装,然后调节气压驱动那些机器手即可。在有些情况下,机器人还属于即插即用型产品。

Soft Robotics 已经成功克服了一个障碍,即如何让一项突破性技术走出实验室,在工业环境下进行商用。

沃斯解释说:“我们面临的最大挑战之一是,如果是学术工作,你只要设计出仅运行几次的东西即可。你借此获得了相关数据,出版了论文,最后登上《自然》杂志或其他知名期刊的封面。在某些行业、特别是机器人行业,这些机器需要一周 7 天、全天 24 小时工作,每个月要循环使用数百万次。怎样让一项技术能承受如此强度的工业磨损,确实是我们面临的最大挑战。”

翻译:皓岳

How marine biology inspired Soft Robotics’ industrial grippers