软体机器人综述
软体机器人研究综述_何斌
蠕虫由表皮、肌肉、体液、神 经 系 统 组 成．身 体 呈 管状、体积 恒 定，是 典 型 的 流 体 静 力 骨 骼 结 构 ． ［２６－２７］ 这种生物的 运 动 由 环 肌 和 纵 肌 的 颉 抗 形 成．如 图 １ 所示，纵肌收 缩 增 加 直 径，环 肌 收 缩 减 小 直 径，通 过 各节 段 肌 肉 收 缩 和 扩 张 产 生 行 进 波 向 前 移 动，与 肠 蠕动过程相似．基于流体静力骨骼原理，文 献［２８］设 计了由空气阀、金属弹簧、热塑性轴承 组 成 的 压 力 驱 动器．文献［２９］采用印制电路板做支撑、嵌 入 硅 树 脂 和 介 电 弹 性 体 ，实 现 了 类 蠕 虫 运 动 ．
ＤＯＩ：１０．１１９０８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１４．１０．０２１
软体机器人研究综述
何 斌，王志鹏，唐海峰
（同济大学 电子信息与工程学院，上海 ２０１８０４）
摘要：机器人 技 术 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 、医 疗 服 务、勘 探 勘 测、生物工程、救灾救援等领域．传 统 机 器 人 大 都 由 刚 性 机 构 组成，存在环境适 应 能 力 低 的 缺 点．软 体 机 器 人 是 一 类 新 型 仿生连续体机器 人，可 以 任 意 改 变 自 身 形 状，在 非 结 构 化 环 境中应用前景广 阔．综 述 了 软 体 机 器 人 的 仿 生 机 理 、驱 动 方 式、建模与控制方 法 等 关 键 问 题，并 通 过 分 析 和 梳 理 软 体 机 器人技术发展中的瓶颈问题及 可 行 解 决 方 案，探 讨 了 软 体 机 器人技术的发展趋势．
软体机器人
任务
03
下面我们将从几个方面详细介绍软 体机器人的特点和应用
1
材料
软体机器人的主要材料 是柔软、可变形的聚合 物或橡胶
这些材料可以承受各种 形状和压力，同时具有 很高的弹性和耐用性
这种材料可以模拟生物 体的肌肉和神经系统的 运动和传感功能，使软 体机器人具有很高的灵 活性和适应性
2
结构
软体机器人的结构通常是 由多个层组成的，包括基 础层、驱动层、传感层等
XXXXX
软体机器人
1 材料 3 应用 5 结论 7 微型生物机器人 9 柔性机器人
2 结构 4 未来发展 6 人机交互 8 环境适应型机器人
软体机器人是一种新兴的机器人技
01
术，它使用柔软、可变形的材料来
模拟生物体的运动和适应能力
这种机器人具有很高的柔韧性和可
02
塑性，可以适应各种复杂的环境和
这些层之间可以通过多种 方式相互连接，例如热压 接、熔融接等
12
+
34
其中，驱动层负责机器人 的运动和操作，传感层则 负责机器人的感知和反馈
这种结构使得软体机器人 具有很高的可塑性和可重 构性，可以根据任务的不 同进行快速的围非常广泛，包括医疗、 救援、服务等领域
➢ 总之，软体机器人在未来 具有广阔的发展前景和应 用潜力。随着技术的不断 进步和应用场景的不断扩 展，我们有理由相信软体 机器人的未来将更加美好
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Thanks
8
环境适应型机器人
软体机器人的适应性和灵活 性使得它能够在极端环境下 进行工作
例如，在深海、高山、太空 等环境下，软体机器人可以 适应各种复杂的地形和压力， 完成各种任务
9
柔性机器人
软体机器人研究现状综述
而是由表皮、肌肉、体液、神经系统组成。其典型 结构是肌肉构成封闭腔，内部充满体液，形成静水 骨骼结构ｌＩ’ｚ¨。体液限制了体积的变化，所以当肌 肉在某一方向收缩时，必然在其他方向伸长，以保 持体积不变。为提高肌肉强度，肌肉之间的连接处
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受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连 续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺
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本文介绍了软体机器人的研究现状，包括软体
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软体机器人综述
软体机器人综述0 前言机器人现如今广泛存在于军事、工厂、科学探索等领域，但传统的刚性机器人由于其采用刚性材料，具有结构复杂、空间适应能力差、灵活度有限等问题，已不能满足在狭小通道、受限空间等复杂环境中的要求，于是衍生了一门新兴学科—软体机器人。
软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，可连续变形，从原理上具有无限自由度，自身良好的安全性和柔顺性弥补了刚性机器人的不足。
软体机器人可以满足军事侦察隐蔽性的要求，对地震灾害、矿难等事故空间的不规则性有良好的适应能力。
软体机器人是仿生机器人的发展，其模型为自然界中的软体动物。
因为软体机器人的无限自由度，所以它有无穷多种将末端执行器达到指定位置的方法。
由于对压力的低阻抗，软体机器人对环境具有更好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动；主动变形与被动变形相结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。
1 研究现状1991年，日本东芝公司和横滨国立大学发明了一种三通道纤维驱动器，在该驱动器作用下实现了拉压、扭转、弯曲等动作，其在腿式移动机器人和工业抓取上得到了较好的应用。
2021年，日本冈山大学和大版大学合作研发出了蝠鲼机器人，该机器人利用纤维增强驱动器，通过控制两个驱动器的弯曲实现在水里游动的动作。
2021年，美国国防部高级研究计划局开始研究软体机器人—Chembots，Chembots是一种采用软体材料，在改变自身形状和尺寸的条件下通过狭小缝隙，并且能够带有负荷完成一定动作。
Chembots 是化学、机器人学和材料学科交叉研制的结果。
2021年欧洲5个国家成立章鱼项目组，旨在研究章鱼传感器机器驱动原理，对章鱼的运动从组织结构进行分析并模拟生物力学特性，提出了收缩横向肌肉实现伸长，收缩轴向肌肉实现缩短，收缩外部和内斜纹肌实现扭转功能。
2021年哈佛大学的研究者们研制成功了一种章鱼形状的全柔性机器人—Octobot。
软体机器人
起源
起源
软体机器人科学家们从自然界汲取灵感，创造出远比那些传统的金属制同类更加灵活和多功能的机器人。
美国哈佛大学的科学家们制造了一种新型柔韧机器人，它的身子非常柔软，可以像蠕虫一样依靠蠕动在非常 狭窄的空间里活动。这个哈佛大学科研小组由化学家乔治怀特塞兹(George M. Whitesides)率领，他们从鱿鱼， 海星和其它没有坚硬骨骼的动物身上获得启发，研制了一种小型的，有四条腿的橡皮机器人。
今年早些时候，一个来自塔夫茨大学的小组展示了由他们开发的一种体长仅10厘米的蠕虫机器人，它采用硅 氧橡胶制成，可以爬进一个小球并在里面推动小球向前滚动。
而此次哈佛大学的此项研究是在美国国防部的研究资助项目下进行的，有关进展本周一在《美国国家科学院 院报》上作了发表。这个软体机器人体长约12.7厘米，制造的过程花费了两个月。其四肢可以各自独立操控，通 过人工或计算机自动控制将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动。这让这种新型机器人具备了无法比拟的灵活性， 可以自由地在地面爬行或者滑行。
怀特赛德斯说：“这不是一个煞费苦心的概念，但实现这种运动是很不寻常的。在这些看似（四肢）很简单 的驱动下，从中你会看到非常有趣的运动。”他指出，虽然这种机器人的运动和构造确实很像海星似的软体动物， 但目的是模仿它的功能，而不是其机制。
材料
这种新型柔体机器人可采用合成纸质材料、纤维织物和金属丝增强结构，具有硅胶外形。当它们模塑成型之 后，该机器人与复杂的压缩气体源进行连接，例如：空气注射泵。
简介
原理
设计
材料
原理
软体机器人模具制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发明的软光刻技术。其生产过程是：借助电子元件 让光照射模具的表面，致使覆盖在图案上一层薄薄的高分子膜曝光，以此溶解没有图案的区域。怀特赛德斯说： “这是一个非常成功的技术，它具有很高的分辨率，相当小巧，但在批量化生产之前成本比较昂贵。”
软体机器人综述
软体综述软体综述1、简介该文档旨在对软体进行全面综述，介绍其定义、应用领域、技术原理、发展趋势等内容。
2、定义软体是指具有柔软身体结构和类似生物组织的，其设计灵感源自人类和动物的运动机制。
与传统硬体相比，软体拥有更高的适应性和柔软性。
3、应用领域3.1 医疗领域软体在医疗领域中具有广泛的应用前景。
它们可以应用于手术操作辅助、康复治疗和药物输送等领域，带来更安全、精确和有效的医疗服务。
3.2 制造业软体在制造业中的应用主要体现在柔性制造和组装方面。
柔软的身体结构使软体能够灵活适应不同形状的工件，并完成高精度的组装任务。
3.3 探索与救援软体在探索与救援任务中发挥着重要作用。
它们可以适应不同的环境，并在狭窄、危险或无法人类到达的地方执行任务，如地震救援和火灾侦测等。
4、技术原理4.1 柔软身体结构软体采用柔软的身体结构，通常由弹性材料制成。
这种结构使其能够承受外部压力和变形，并具备类似动物的运动特性。
4.2 传感技术软体通过传感器获取外部环境信息，如压力、温度和湿度等。
这些传感器可以帮助做出反应并适应不同情况。
4.3 控制系统软体的控制系统负责对其运动进行控制和协调。
控制系统通常包括算法、电子和软件等组成部分，使能够执行各种任务。
5、发展趋势5.1 柔软材料的发展随着柔软材料技术的不断发展，软体的身体结构将更加逼真和灵活，为其在各个领域的应用提供更多可能性。
5.2 机器学习的应用机器学习技术的应用将使软体能够根据环境和任务需求进行学习和调整，提高其自主性和适应性。
5.3 人机协作软体与人类的协作将成为未来发展的一个重要方向。
通过与人类紧密合作，软体可以在各种任务中发挥更大的优势。
6、附件本文档附有相关文献引用、案例分析和技术图表等信息。
请查阅附件获取更详细的内容。
7、法律名词及注释7.1 伦理学伦理学是研究与人类和社会之间的道德和伦理问题的学科领域。
7.2 专利法专利法是一种法律制度，保护创新性和新颖性发明的权益，为发明者提供一定的独占权。
软体机器人的力学特性分析与控制方法研究
软体机器人的力学特性分析与控制方法研究软体机器人是一种能够模拟生物体柔软结构和运动的机器人系统。
相比传统的刚体机器人，软体机器人具有更强的适应性和灵活性，能够适应不同的工作环境和执行复杂的任务。
在软体机器人研究领域，力学特性分析和控制方法是两个重要的研究方向。
本文将重点介绍软体机器人的力学特性分析和控制方法，并对相关研究进行综述。
一、软体机器人的力学特性分析软体机器人的力学特性分析是研究软体机器人结构和材料力学特性的过程。
软体机器人的结构由柔性材料构成，其力学行为具有非线性和非刚体特性。
软体机器人的力学特性分析可以帮助研究人员更好地理解软体机器人的运动原理和性能优化方法。
1. 软体机器人的力学建模软体机器人的力学建模主要包括材料力学模型和结构力学模型两个方面。
材料力学模型是描述软体机器人材料力学性质的数学模型，常用的模型包括线性弹性模型、非线性弹性模型和粘弹性模型等。
结构力学模型是描述软体机器人整体结构和形变的数学模型，常用的模型包括连续介质力学模型和离散元力学模型等。
2. 软体机器人的有限元分析有限元分析是一种常用的力学分析方法，可以用于对软体机器人力学特性进行数值模拟和优化设计。
有限元分析将软体机器人离散化为有限个节点和元素，通过求解节点位移和应变来计算其力学响应。
有限元分析可以帮助研究人员深入了解软体机器人的形变行为和应力分布，并且可以指导软体机器人的设计和控制。
3. 软体机器人的实验力学测试实验力学测试是分析软体机器人力学特性的有效手段，可以通过测量软体机器人的形变、应变和力学响应来获取其力学性质。
常用的实验力学测试方法包括机械拉伸测试、压缩测试和弯曲测试等。
实验力学测试可以验证和修正力学模型，并提供真实的实验数据用于控制方法的研究。
二、软体机器人的控制方法研究软体机器人的控制方法研究是研究软体机器人实现预定运动和任务的方法和技术。
软体机器人的控制方法要求具备对软体结构的建模和力学特性分析的基础上，能够实现精确的运动和姿态控制。
软体仿生机器人研究现状
目前，软体仿生机器人的研究主要集中在以下几个方面：
（1）仿生运动学：研究如何模仿生物体的运动方式和运动规律，以提高机 器人的运动能力和适应性。
（2）柔性材料：研究柔性材料的性质、制备方法、加工工艺等方面的内容， 以提高机器人的柔韧性和耐用性。
（3）感知与控制：研究机器人的感知与控制方面的内容，包括如何感知环 境信息、如何作出决策、如何控制机器人的运动等方面的问题。
尽管软体仿生机器人已经取得了一定的进展，但仍存在一些不足之处，如：
（1）仿生程度不够高：目前的软体仿生机器人往往只是模仿生物体的部分 特征，难以做到全方位的仿生。
（2）运动能力有限：由于软体材料的限制，机器人的运动能力和范围受到 一定的限制。
（3）感知与控制难度大：由于机器人需要感知复杂的外部环境信息，并需 要进行实时的控制和决策，因此感知与控制方面的难度较大。
软体仿生机器人研究现状
01 引言
03 参考内容
目录
02 研究现状
引言
随着科技的不断发展，机器人技术逐渐成为当今社会研究的热点领域之一。 软体仿生机器人作为机器人领域的一个分支，具有仿生能力强、适应环境能力高、 低耗高效等优点，在医疗、航空、服务等领域具有广泛的应用前景。本次演示将 对软体仿生机器人的研究现状进行综述，介绍其定义、研究现状、应用领域等方 面，并探讨未来的发展方向。
发展历程
软体机器人作为一种新兴的领域，其发展历程可以追溯到20世纪90年代。当 时，一些科学家开始研究如何将生物体的柔软性和灵活性应用到机器人中，以实 现更加逼真的模拟效果。21世纪初，随着材料科学、制造技术、传感器等技术的 不断发展，软体机器人的研究得到了更多的。
研究现状
1.材料研究
软体机器人的核心部件是材料，因此材料的研究是软体机器人研究的基础。 目前，研究者们主要从材料的硬度、弹性模量、耐高温等方面进行研究，以寻找 更加适合软体机器人的材料。其中，弹性硅胶、聚氨酯等材料是最常用的材料之 一。
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软体机器人综述
作者：苏航孙夏爽史伟陈发光
来源：《科学与财富》2018年第34期
摘要：软体机器人是一种新型机器人，由可承受大应变的柔性材料构成。
其具有良好的环境适应性，能够根据周围环境情况，在大范围内对自身的形状做出改变，因此软体机器人在军事侦查、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。
综述软体机器人的驱动方式、加工制造等问题。
对软体机器人发展现状进行分析总结，并对未来软体机器人的发展趋势进行探讨。
关键词：软体机器人；驱动方式；加工制造；智能材料；
0 前言
机器人现如今广泛存在于军事、工厂、科学探索等领域，但传统的刚性机器人由于其采用刚性材料，具有结构复杂、空间适应能力差、灵活度有限等问题，已不能满足在狭小通道、受限空间等复杂环境中的要求，于是衍生了一门新兴学科—软体机器人。
软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，可连续变形，从原理上具有无限自由度，自身良好的安全性和柔顺性弥补了刚性机器人的不足[1] 。
软体机器人可以满足军事侦察隐蔽性的要求，对地震灾害、矿难等事故空间的不规则性有良好的适应能力。
软体机器人是仿生机器人的发展，其模型为自然界中的软体动物。
因为软体机器人的无限自由度，所以它有无穷多种将末端执行器达到指定位置的方法。
由于对压力的低阻抗，软体机器人对环境具有更好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动；主动变形与被动变形相结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间[2]。
1 研究现状
1991年，日本东芝公司和横滨国立大学发明了一种三通道纤维驱动器，在该驱动器作用下实现了拉压、扭转、弯曲等动作，其在腿式移动机器人和工业抓取上得到了较好的应用。
2007年，日本冈山大学和大版大学合作研发出了蝠鲼机器人，该机器人利用纤维增强驱动器，通过控制两个驱动器的弯曲实现在水里游动的动作。
2007年，美国国防部高级研究计划局开始研究软体机器人—Chembots，Chembots是一种采用软体材料，在改变自身形状和尺寸的条件下通过狭小缝隙，并且能够带有负荷完成一定动作。
Chembots是化学、机器人学和材料学科交叉研制的结果。
2009年欧洲5个国家成立章鱼项目组，旨在研究章鱼传感器机器驱动原理，对章鱼的运动从组织结构进行分析并模拟生物力学特性，提出了收缩横向肌肉实现伸长，收缩轴向肌肉实现缩短，收缩外部和内斜纹肌实现扭转功能。
2016年哈佛大学的研究者们研制成功了一种章鱼形状的全柔性机器人—Octobot。
他采用了过氧化氢分解产生水和氧气的化学反应为装置提供动力。
氧气通过内嵌的微阀门，使得Octobot的腕足进行交替摆动，从而实现了整体的运动。
2 驱动方式
驱动器为软体机器人的各部分行为提供动力，由于软体机器人可以实现大幅度的变形，所以对于驱动器提出了更高的要求，例如刚度可变、质量轻等。
现如今软体机器人的驱动方式可分为两种：物理驱动以及化学驱动。
2.1物理驱动
物理驱动多利用材料的物理性质来提供动力。
常见的物理驱动器有形状记忆合金（shape memory alloy， SMA）、电活性聚合物（Dielectric Electro Active Polymer，DEAP）、离子交换聚合金属材料（ion-exchange polymer metal composite， IPMC）、气动驱动器等。
原理简述如下。
形状记忆合金是一种合金，它可以“记住”其原始形状，且在加热时，变形返回到其变形前的形状。
形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应，一般由两种以上金属元素所构成。
目前形状记忆材料里形状记忆性能最优的当属形状记忆合金。
电活性聚合物（EAP）是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料，当外界电激励撤销后，它又能恢复到原始的形状和体积[3]。
电活性聚合物分为电子型EAP和离子型EAP。
电子型EAP驱动电压高，限制了其应用场合，离子型EAP需要潮湿环境，具有更为广泛的应用。
IPMC是一种合成复合纳米材料。
当向电极施加电压（电场）时，膜分子网络中带正电荷的共轭和水合阳离子被阳极排斥，并随着它们向携带水合水分子的负电极或阴极迁移。
这种迁移在膜上产生渗透压力梯度，导致IPMC条带以惊人的方式弯曲或变形。
气动驱动器即采用气泵的方式，通过高压气体为整个系统提供动力，该方式对环境没有污染，但受限于气泵的存在，应用受到限制。
2.2化学驱动
化学驱动即采用化学反应的方法为系统提供能量和动力。
将物质的化学能转化为机械能，驱动软体机器人运动。
特别当采用可逆反应时，能够为装置提供连续不断的能量，从而实现机器人的长时间工作。
Octobot机器人采用了过氧化氢分解出氧气来提供动力的方法。
也可以通过短时间内剧烈的氧化反应即爆炸方式提供大的冲量以实现机器人的跳跃的功能。
哈佛大学Robert F. Shepherd等发明的三足软体机器人利用电火花点燃甲烷产生的爆发力实现跳跃即采用此原理。
3 加工制造
区别于刚性机器人的加工方式，由于柔性材料的特殊性，传统的加工制造方法于软体机器人不再适用，需要新型的加工制造方法。
软体机器人的加工制造分为本体制造、可伸展电子电路制造等。
软体机器人本体制造主要基于快速成型技术，包括形状沉积法（shape deposition manufacturing，SDM）、熔融沉积成型、纳米复合材料沉积、纳米压印、激光消融、微注射成型等[2]。
SDM技术可以实现将复杂材料的新型结构制造出来。
SDM技术可以将传感器、柔性材料、刚性材料和电路集成在一起。
斯坦福大学的马克教授采用该方法，研制出了仿毛虫软体机器人。
其工艺步骤为：沉积—去除—沉积—微加工—埋入元件—沉积—去除—移除基体。
可伸展电子电路因为要配合软体机器人形变，须具有伸长、弯曲、扭转等要求，采用刚性电子元器件的方法无法适用于软体机器人。
故提出三种电路形式，一种是波纹状结构，即在原始状态下具有足够的冗余量以满足变形需要。
第二种是开环网状结构，开环网状结构可以实现电路的伸展。
第三种是将电解质溶液注入制造时预留的通道，可以满足大应变的要求，但也应注意到因大变形可能会出现的电解质“断流”现象。
4 总结与展望
软体机器人现如今比较成熟的应用领域是作为机器手，对于易破损、尺寸不规则的物体具有较好的保护和适应能力。
然而，由于其高柔顺性，其承担负载的能力限制了其应用。
现如今，国内外的软体机器人多在与结构形式、驱动能源等方面进行研究，对于如何将电子器件植入软体机器人内部、路径规划、控制、建模研究较少，这也是将来所需要进行深入研究方向。
未来软体机器人的形式应像人一样，具有独立获取能源、控制、运动等能力。
不过软体机器人作为一个新兴的研究方向，任重而道远。
参考文献：
[1]王田苗，郝雨飞，杨兴帮，文力.软体机器人：结构、驱动、传感与控制[J].机械工程学报，2017，53（13）：1-13.
[2]曹玉君，尚建忠，梁科山，范大鹏，马东玺，唐力.软体机器人研究现状综述[J].机械工程学报，2012，48（03）：25-33.
[3]尤小丹，宋小波，陈峰.软体机器人的分类与加工制造研究[J].自动化仪表，2014，35（08）：5-9.。