软体机器人具有天然的安全性、高复原性和潜在的低成本性，使其具有广泛的应用前景。但与机器人学的其他领域相比，软体机器人的发展有点缓慢，至少部分原因是软体机器人无法直接受益于在过去几十年中计算能力、传感器和执行器可用性的大幅提升。取而代之的是，机器人专家必须发挥创造力，找到利用软体材料和兼容电源实现传统机器人部件功能的方法。

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在最新一期的《ScienceRobotics》杂志上，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员展示了一种软体步行机器人，它有四条腿，由软管和阀门组成的气动回路系统控制，以乌龟般的步态移动。这种空气驱动的神经系统可以从一个单一的压缩空气源依次驱动多个自由度，大大降低了复杂性，并为机器人本身带来了决策形式的基本形态。一般来说，当人们谈论软体机器人时，机器人通常情况下是软体的。有一些部件很难使其变软，包括引导不同软体执行器之间压力的压力源和必需的电子设备，这些可以用来做推动系统。这个机器人最酷的地方在于，研究人员成功地将一个压力源(可以是一根绳子，也可以是一个内置的二氧化碳棒)，通过一个完全由软体材料制成的振荡三通阀回路，引导到四个不同的腿上，每个腿上有三个不同的气室。

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这一点的灵感可以在生物学中找到，包括四足动物在内的自然生物，利用被称为CPG的神经系统来进行用于行走、飞行和游泳的四肢的重复运动。这在某些有机体中显然更为复杂，并且通常由感觉反馈传递信息，但是CPG的底层结构基本上只是一个重复回路，它按顺序驱动肌肉产生稳定、连续的步态。在这种情况下，我们让气动肌肉驱动成相反的一对，从而形成一种对角耦合步态，对角相对的肢体同时向前和向后旋转。(J)腿部节律运动的气动逻辑回路。施加在三个逆变器组件上的恒定正压源(P+)会导致高压状态在回路中传播，每个逆变器都有一个延迟。当一个逆变器的输入高时，连接的执行器(即A1、A2或A3)充气。这一系列的高压状态使机器人的每一对腿按照气动连接确定的方向旋转。(K)通过颠倒气动振荡器回路的启动顺序，所连接的执行器以新的顺序(A1、A3和A2)充气，导致(L)机器人的腿反向旋转。(M)机器人底部示意图，腿的运动方向指示向前行走。回路本身由三个双稳态气动阀组成，这些阀通过管道连接，阀门向通过它的气体提供阻力来起延迟作用，然后通过改变管道的长度和内径可以进行调整。在回路中，加压气体的运动既是一种能量来源，也是一种信号，因为回路中的压力在哪里，哪条腿就在运动。最简单的回路仅使用三个阀，并且可以保持机器人朝一个方向行走，但是更多的阀可以添加更复杂的腿部控制选项。例如，研究人员能够使用七个阀门来调整步态的相位偏移，甚至只需要一个额外的阀门（尽管设计稍微复杂一点）就可以实现系统的反转，从而使机器人根据软体传感器的输入向后行走。对于另一个复杂的阀门，手动（栓系）控制器可用于全方位运动。每个阀门通过将常闭的一半（顶部）切换为打开，将常开的一半（底部）切换为关闭来充当逆变器这项工作与JPL为探索金星而开发的火星车有一些相似之处，当然，火星车不是一个软体机器人，但它在类似的限制条件下工作，因为它不能依赖传统的电子系统进行自主导航或控制。事实证明，有很多聪明的方法可以利用机械（或者在本例中是气动）智能来制造具有相对复杂自主行为的机器人，这意味着在未来，软体机器人（或者类软体机器人）可以在没办法使用常规系统时找到有价值的角色。

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关于为什么我们应该对软体机器人如此兴奋，以及软体机器人需要有多软，我们采访了加利福尼亚大学圣地亚哥分校仿生机器人设计实验室的负责人MichaelTolley和论文第一作者DylanDrotman。IEEESpectrum：软体机器人能为我们做哪些事情是刚性机器人做不到？MichaelTolley：在最高的层次上，机器人学的一个基本假设是你将刚体连接在关节上，你所有的运动都发生在这些关节上。这是一个非常好的方法，因为它使数学简单，坦率地说，它简化了控制。但是当你环顾我们周围的自然界时，即使动物确实有骨头和关节，我们与世界互动的方式也比这个简单的故事要复杂得多。我感兴趣的是我们在哪里可以利用机器人的材料特性。如果你看看那些必须在非常未知的环境中工作的机器人，我认为你可以把一些如何处理这些环境的智能植入机器人的身体中。这就是这部作品真正的归属，它是要探索世界的。DylanDrotman：在狭窄的空间里行走就是一个很好的例子。有了刚性腿机器人，你就必须完全改变腿部移动的方式，才能在受限空间中行走，而如果你有柔性腿，就像我们论文中的机器人一样，你可以使用相对简单的控制策略，挤过一个你用刚性系统无法通过的区域。IEEESpectrum：软体机器人可以聪明到什么程度？DylanDrotman：目前，这个机器人前面有一个传感器，它通过流体传输连接到一个双稳态阀上，这个双稳态阀使机器人反转。我们可以在机器人周围添加其他传感器，让它在遇到障碍物时改变方向，从而有效地制造出无电子设备版本的Roomba（Roomba是由美国iRobot公司于年研发出的吸尘机器人）。Tolley：退一步说，我们可以提出一个论点，我们使用基本的记忆元素来产生非常基本的信号。原则上没有什么能阻止人们制造气动计算机——制造这么复杂的东西是非常不易的。我认为你可以在此基础上做更明智的决策，但使用这种特定的设计和我们使用的组件，很可能是对环境更直接的反应。IEEESpectrum：希望这些机器人缩小到什么程度？Drotman:目前，我们正在手工制造这些部件，因此我们的想法是制造更像印刷电路板的产品，并研究通道尺寸和阀门设计如何影响驱动特性。我们还将推出新的回路，以及回路本身的不同设计。Tolley:到厘米或毫米尺度，我不认为你会有基本的流体流动问题。我认为你将更多地受到系统设计约束的限制。你必须能够在携带着你的压力源的同时运动，可能还有一些其他的部件仍然是刚性的。当你开始谈论真正的小尺度时，我并不清楚你真的需要一个软体机器人。如果你想想昆虫，它们的几何结构可以让它们表现得像是柔软的，但它们并不是本质上柔软的。IEEESpectrum：我们应该以同样的方式来考虑软体机器人和柔性机器人，还是它们根本不同？Tolley:两者之间肯定有联系。你可以有一个柔性机器人，它的行为方式与软体机器人或者由软体材料制成的机器人的行为方式非常相似。在这一点上，它归结为设计和制造，以及对你能做什么的实际限制。我想当你深入到小范围时，这两种联系就有点紧密了。IEEESpectrum：几年前，一些有趣的工作是利用爆炸来驱动软体机器人。这还是一件事吗？Tolley:使用软体机器人的一个机会是，在符合材料要求的情况下，你有潜力储存能量。我认为有一个令人兴奋的潜力，有一个柔软的身体快速运动。燃烧是一种方法，能量一次来自化学物质，但你也可以使用相对较弱的肌肉，随着时间的推移，它会将能量储存在柔软的身体中，然后释放出来。IEEESpectrum：期望软体机器人具有完全的柔软性是现实的吗？还是因为它们必须以某种方式储存、产生和移动加压气体，所以它们可能总是有坚硬的部件？Tolley：如果你观察自然界，你确实有像心脏一样的软泵，但是尽管它是软的，它仍然相对坚硬。比如，如果你抓住一颗心，它就不会完全变软。我没做过，但我可以想象。如果你有一个正在加压的容器，它必须足够坚硬，不能像气球一样爆炸。当然，气动或液压不是唯一的驱动方式。在智能肌肉和智能材料有一些非常好的研究，如液压静电（HASEL）驱动器。它们看起来很有前途，但所有这些执行器都面临挑战。我们选择在短期内继续使用加压气动系统，从长期来看，我想你会看到更多的智能材料驱动器变得更加实用。就我个人而言，软体机器人配备一些刚性部件我没有任何问题。陆地上的大多数动物都有一些坚硬的组件，但它们仍然可以利用柔软的优势，所以这将很可能是一种组合趋势。但我也很喜欢做一个完全柔软，粘糊糊的东西。(源自：IEEESpectrum编译：Doris本文仅用于技术交流)

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