軟體機器人作為機器人領域的極具潛力的分支，憑借其柔軟、可變形的結構，能夠靈活適應各種復雜的工作環境，在智慧農業領域、水下機器人領域、人機交互與康復領域展現出巨大的潛力。

然而，傳統機器人大多依賴集中式處理器進行控制，這種設計結構在一定程度上限制了機器人的運動速度和靈活性，使其在復雜環境下的適應性和自主性方面仍存在不足。因此，開發新型的控制和驅動技術，以提升機器人的運動速度、靈活性和適應性，成為當前機器人技術發展的重要方向之一。

圖1海星的肢體結構

▍從生物學到機器人：提出一種基于自振肢體的快速自主運動新思路

為了突破傳統機器人驅動與控制的局限，荷蘭原子與分子物理研究所的Alberto Comoretto、Harmannus A. H. Schomaker和Johannes T. B. Overvelde，提出了一種基于自振肢體與環境之間的物理相互作用實現快速自主的機器人運動策略。實驗顯示，通過顯式流體耦合與隱式環境交互，多肢體機器人可協同產生快速運動與避障、水陸切換的自主行為。該研究為機器人動力學領域提供了一種創新的技術方案，并成功打造出首款能夠實現快速移動的軟體機器人。

圖2 (a)動物的運動剖析(b)棒蟲的肢體運動剖析(c)海星的肢體運動剖析(d-l)軟體機器人的肢體結構與運動原理

研究論文以"Physical synchronization of soft self-oscillating limbs for fast and autonomous locomotion"為題發表在《Science》上。作者為Alberto Comoretto、Harmannus A. H. Schomaker、Johannes T. B. Overvelde 。

▍仿生運動與自振蕩驅動：軟管肢體的創新設計

自振蕩肢體是一種基于細軟管自振蕩行為開發的獨立肢體裝置。研究團隊從動物的運動機制中獲得啟發，例如海星通過神經環以分散的方式協調其五只手臂，從而實現快速的步態運動。借鑒大自然中生物的運動機制，該團隊設計了一種自主振蕩肢體，通過細軟管的自振蕩行為來驅動機器人進行步態運動。

圖3 制作硅膠管制動器

在這種設計中，軟體機器人的肢體由彎曲的薄壁硅膠管構成，并被固定在3D打印的支架內。為了研究軟體機器人的自振蕩的規律，對機器人進行自振蕩實驗。當未施加氣流時，軟管將保持穩定狀態；當在軟管左側入口處施加15SLPM的恒定氣流時，軟管肢體將開始自發振蕩，其振蕩頻率為100Hz。

圖4 壓力和扭結狀態之間的相互作用

此外，為了分析出管寬的局部最小值與顯性及非顯性扭結之間的關系，該研究還對管材中的扭結波現象及其與管結間壓力的相互作用進行了實驗。如圖4所示，實驗首先對管材的外邊緣和內邊緣進行檢測，再將其映射到沿管材中心線的新坐標系中。該實驗結果得出管材中的扭結波與壓力相互作用是自振蕩現象的核心機制，而軟管中的恒定氣流流速則可以調節振蕩頻率，從而使肢體的振蕩變得可控。

▍多肢體耦合技術：驅動軟體機器人邁向超快運動

然而，單個自振蕩肢體無法實現軟體機器人的實際應用。為了解決這一問題，研究團隊提出了一種多肢體耦合技術，將單個自振蕩肢體集成到多肢系統中，通過多肢體內部耦合實現軟體機器人的同步運動。

圖5 軟體機器人的多肢體內部耦合

通過將兩個相同的耦合管并聯，即可實現軟體機器人兩個肢體的耦合。為了進一步研究軟體機器人的多肢系統規律，對機器人進行如圖5所示實驗。當為軟管入口提供恒定氣流時，發現短于12cm的耦合管表現出肢體同步規律，而長于12cm的耦合管則表現出反相同步的規律。因此，研究團隊基于該規律構建出具備四個強耦合自振蕩肢體的軟體機器人。

該耦合方案構建的自振蕩肢體機器人具備以下優勢：

1.該軟體機器人在大小、重量和絕對速度方面，接近動物蟑螂的性能。而蟑螂是在其相似體型范圍內速度最快的無脊椎動物之一。

2.它的所有肢體均可自主同步激活，并以類似瞪羚的慢步態奔跑。

3.多肢體機器人相較于單肢體機器人速度更快，并且還可通過縮短扭結管間的距離，實現更高的振蕩頻率。

▍隱式環境耦合：突破軟體機器人快速自主運動的瓶頸

為了讓機器人實現無線運行，研究人員改進了具備四個強耦合自振蕩肢體的機器人，通過兩個微型氣泵和鋰離子聚合物（LiPo）電池對機器人進行驅動，開發出了一款真正的無線軟體機器人。

圖6 通過隱式環境進行多肢體的同步

如圖6所示，研究團隊將兩個袋管作為軟體機器人的肢體，每個軟袋管均由獨立供電的空氣泵驅動。當打開空氣泵時，軟體機器人將自主地以約2Hz的頻率進行跳躍，每個跳躍周期包括站立和擺動階段。令人驚訝的是該機器人的速度較現有無線軟體機器人快一個數量級。此外，多肢體軟體機器人還搭載了兩個光敏電阻傳感器用于模擬生物的“眼睛”，進而實現機器人的自主趨光行進能力。

▍結語與展望

軟自振蕩肢體同步技術是軟體機器人領域的一項創新性突破。該研究基于物理同步和自振蕩肢體的運動策略，實現了軟體機器人的協同超快運動（速度可達1.1 m/s）以及自主行為（例如避障和切換）。

研究團隊提出的通過物理設計實現軟體機器人動物級性能的技術方案，采用去中心化的運動策略，實現了機器人快速、自主的運動。這一策略為驅動和控制能力有限的自適應機器人提供了全新的行進運動方案。

未來，軟自振蕩肢體同步技術或將結合先進的材料科學、流體力學和機器人設計，開發出更智能、更高效、更適應復雜環境的機器人，并在工業、醫療等應用領域展現出巨大潛力。

參考文章：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3661