近年来,有不少研究团队受猫狗、蛇、章鱼等动物的启发,设计出多种形态的柔性机器人。这一次,哈工大研究团队受到了象鼻的启发,设计了新型的柔性机器人。

 

 

近日,国际著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与美国马里兰大学 Norman M. Wereley 教授团队的共同研究成果,题为:《Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk》(受象鼻启发的新型弯曲螺旋可伸展 / 收缩气动人工肌肉)。

 

受象鼻启发,建立柔性机器人新模型哈尔滨工业大学是我国最早开展机器人技术研究的高校之一,也是我国第一台电焊机器人、弧焊机器人、爬壁机器人、空间机器人、月球车的诞生地,在机器人技术研究方面处于领先地位。据报道,此次哈工大冷劲松教授研究团队受到了象鼻的启发,在研究上又有了新发现,设计了新型的柔性机器人——新型弯曲螺旋可伸展 / 收缩气动人工肌肉。

 

 

气动人工肌肉,是一种采用新型智能高分子材料的人造肌肉(artificial muscle),非常接近生物的肌肉纤维。由外部的压缩空气驱动进行推拉动作的人造肌肉,具有柔顺性、轻量性、绿色性等优势。


研究团队指出,气动人工肌肉运动在一定程度上仅局限于单轴收缩和拉伸,这也限制了其发展。为此,在象鼻的启发下,他们在可伸展 / 收缩的气动人工肌肉的基础上设计了新型的弯曲螺旋可伸展 / 收缩气动人工肌肉(HE-PAMs/HC-PAMs),当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀时,将产生绕轴的弯曲、旋转运动,使致动器产生螺旋变形,这个过程就如同我们见过的象鼻弯曲旋转的运动过程。通过实验、分析,研究团队建立了气动人工肌肉的广义弯曲行为模型,并在相同的理论框架下研究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性,拓展了柔性机器人更多的可能性,如软体分类机器人、搜索机器人、生物机器人、运动辅助外骨骼、力反馈可穿戴设备等等。

 

市场潜力巨大,拥有无限可能性当前,全球机器人市场规模持续扩大,机器人产业正稳步增长。据相关报告,2019 年全球机器人市场规模达到 294.1 亿美元,2014~2019 年全球机器人市场的平均增长率约为 12.3%。业内人士预测,中国将成为全球最大的机器人应用市场,预计在 2030 年产业规模将达到 260 亿美元,占到全球 1/3。也就是说,预计在 2030 年全球机器人产业规模将达到 780 亿美元。在巨大的市场前景下,不少企业、高校等研发团队研发相关产品。而柔性机器人具备材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性,能够破除传统机器人关节的僵硬和材料的刚强,有着更为良好的人机互动性,或将成为未来商业运用的主流趋势之一。极智嘉联合创始人兼 CTO 李洪波曾表示,柔性机器人系统蕴含着巨大市场潜力,将会在智慧物流、智能制造、以及大家所能想象到的商业环境里,得到广泛的应用。

 

 

目前,柔性机器人主要的商用场景为工业和医疗。其中,医疗领域是柔性机器人典型性和商业度较高的应用领域,潜力空间估值接近 75 亿美元。在医疗机器人的柔性化运用中,手术机器人的临床性和产业化程度是当前发展最快的。柔性化的医疗机器人能够进入人体四处移动,提供照明,成为医生的眼睛,甚至可以绕过想要避开的区域。而著名的达芬奇手术机器人,代表了柔性机器人在该领域的一定水平,其可自由运动的手臂腕部、3D 高清影像技术、主控台的人机交互设计这三个关键核心技术,分别对应了柔性机器的机器感知、机器行动和人机交互,可协助医生在有限的狭窄空间工作,手术操作更精确。

 

 

对于工业领域的柔性机器人应用来说,随着研发水平不断提升、工艺设计不断创新以及新材料相继投入使用,工业机器人的类人精细化操作能力不断增强。如日本爱普生首款新型折叠手臂六轴机器人,可在现有同级别机械臂 60%的工位空间内完成灵活操作,采用内部走线设计,自然进入高层设备、机器、架子等狭窄空间,避免了在设置和维护过程中进行复杂的布线,大大提高了成本效率并保持较低的总运行成本。

 

 

随着机器人逐步应用到各种实际应用场景,机器人产业轻型化、柔性化、智能化的趋势日益明显。此次哈工大以象鼻为启发而建立的气动人工肌肉的广义弯曲行为模型,拓展了柔性机器人更多的可能性。由此可见,未来机器人将越来越灵巧、安全,且形式更多样化,应用范畴也更广。

 

图片来源自网络