Soft Robotics
- 又稱: compliant robotics, flexible robotics
- 類別: Mechanical structure › Robot morphologies
- 標籤: soft-robotics, compliant-mechanisms, elastomers, pneumatic-actuation, bio-inspired, gripper
機器人學的子領域，以矽膠與彈性體等順應性、可變形材料打造機器人，實現與人的安全互動、精細操作與自適應夾持。
定義
軟性機器人是機器人學的一個子領域，設計、製造並控制主要以順應性、可撓材料而非剛性金屬與硬質塑膠製成的機器人。軟性機器人受到章魚、蠕蟲與象鼻等生物啟發，使用矽膠彈性體、水凝膠、形狀記憶合金與可撓聚合物等材料，實現傳統剛性連桿機器人難以或無法做到的運動與行為。這個領域挑戰了傳統機器人學的基本假設，即機器人必須是剛性的，才能精確而有力。
軟性機器人的致動機制與傳統電動馬達根本不同。氣動致動讓彈性體腔室充氣與洩氣，產生彎曲、扭轉或伸展的運動。線驅動設計讓肌腱穿過可撓結構。介電彈性體致動器利用電場讓聚合物薄膜變形。形狀記憶合金在加熱時改變形狀。每一種致動方式在力量、速度、控制精度與系統複雜度上各有不同的取捨。
軟性機器人本質上的順應性，相較於剛性系統有幾項優點。它們吸收而不是傳遞衝擊能量，因此天生適合與人安全互動。它們能貼合形狀不規則的物體，成為處理易損或多樣物品的絕佳夾爪，從番茄到電子零件都能處理。它們能擠過狹窄的開口、在雜亂的環境中移動，並承受會損壞剛性機器人的碰撞。這些特性讓它們在農業、食品處理、醫療器材與搜救情境中特別有價值。
然而，軟性機器人面臨重大挑戰。建模與控制遠比剛性機器人複雜，因為軟性機體理論上有無限多的自由度。傳統的運動學與動力學框架無法直接套用。研究人員使用連體力學、有限元素法，以及越來越多的機器學習來為軟性機器人的行為建模。感測同樣具有挑戰性：要把感測器嵌入可變形材料中又不限制其運動，需要可拉伸電子元件、導電流體與光纖感測器等新穎做法。
這個領域自 2010 年代初期以來快速成長，有專門的期刊（Soft Robotics）、研討會，以及來自 DARPA 與歐盟等機構的大量資金。商業應用已出現在軟性夾爪（Soft Robotics Inc.，現為 Stratos）、穿戴式復健裝置與內視鏡手術工具上。軟性機器人與 3D 列印的結合加快了原型製作，讓研究人員能在數小時而非數週內製作出複雜的軟性致動器。
為何重要
軟性機器人從根本上擴展了機器人能在哪裡、以什麼方式運作。剛性機器人在結構化的工廠環境中表現出色，卻難以應付真實世界的多變：不規則的物體、易碎的物品、無法預測的人體接觸。軟性機器人填補了這個缺口，實現了從農業採收到微創手術等剛性機器人根本無法安全執行的應用。
主要應用
- 食品處理與農業採收：抓取易損的農產品而不造成碰傷
- 醫療與手術器材：可撓式內視鏡與穿戴式復健外骨骼
- 搜救：能擠過瓦礫、在倒塌結構中移動的機器人
- 水下探索：用於海洋研究的仿生游泳機器人
- 穿戴式輔助裝置：增強人體動作的軟性外骨骼服
- 工業夾持：不需更換工具就能適應物體形狀的通用夾爪
實際應用
迄今商業上最成功的軟性機器人應用是軟性夾持。Soft Robotics Inc.（現為 Stratos）等公司已把氣動軟性夾爪部署在食品包裝產線上，處理烘焙產品、水果與形狀不規則的食品等剛性夾爪會損壞或無法可靠抓取的物品。這些夾爪利用氣壓讓類似手指的結構膨脹，不論物體的形狀、大小或朝向為何，都能包覆貼合。
在研究方面，Harvard Biodesign Lab 率先開發了軟性外骨骼服：一種輕量的穿戴式機器人，透過可撓的紡織品而不是剛性框架施力來輔助步行。與剛性外骨骼不同，軟性外骨骼服不會限制關節的自然運動，而且可以穿在衣服底下。臨床試驗已顯示它對中風復健患者有益，也已開發出軍用版本，用來降低負重行軍時的代謝消耗。
常見誤解
- 軟性機器人力量弱又不精確：軟性夾爪能舉起好幾公斤，有些氣動致動器產生的力超過 100 N
- 軟性機器人只跟材料有關：它涵蓋新穎的致動、感測、建模與控制範式，而不只是可撓材料
- 軟性機器人將取代剛性機器人：兩者是互補的；許多實用系統結合了剛性結構與軟性末端執行器
- 軟性機器人無法精確控制：雖然更具挑戰性，但以模型為基礎與以學習為基礎的控制器，在軟性機器人系統中都達到了令人印象深刻的精度
誰需要了解
- 探索仿生設計方法的機器人學研究人員
- 尋找可適應之夾持解決方案的製造工程師
- 開發微創工具的醫療器材開發者
- 對功能性軟性材料有興趣的材料科學家
- 探索傳統剛體機器人學之外新興子領域的機器人學學生
相關技術
- 氣動致動
- 介電彈性體致動器
- 形狀記憶合金
- 矽膠模塑
- 3D 列印
- 連體力學
- 肌腱驅動機構
相關專案
- SOFA Framework: Real-time physics simulation framework for medical simulation and soft tissue modeling
- ORCA Hand: Open-source tendon-driven robotic hands with tactile sensing from ETH Zurich
- Delta X Soft Gripper: Soft gripper for the Delta X robot: STL and STEP files, print settings and a build video
- DexHand v2: Open-source dexterous hand design from The Robot Studio
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影片
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