软体机器人的起源,科学家研发软体机器人电池的方案有了新思路了吗？
1、软体机器人的起源
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1种新型柔韧机器人，它的身子非常柔软，可以像蠕虫1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1种小型的，有4条腿的橡皮机器人。 最近几年，科学家们1直在尝试和1些黏糊糊的，有时候甚至看上去模样古怪的机器人设计概念打交道，他们希望能制造出1种新型机器人，它们将能够钻进那些依靠人力或传统机器人难以企及的地方展开工作，如地震灾区救援或者战场侦察等等。在1份邮件采访中，美国麻省理工学院的机器人专家马修 沃尔特(Matthew Walter)说：“这种软体机器人的柔韧性让它们能够得以进入传统机器人无法抵达的狭小空间。” 今年早些时候，1个来自塔夫茨大学的小组展示了由他们开发的1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1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1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4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。 研究人员对它进行了柔韧性测试：他们将1块玻璃板置于距离地面不到1.9厘米的高度，并让这个小机器人尝试爬进底下。结果科学家们成功地控制这个机器人15次来回穿过了这个极其狭小的缝隙。并且在大多数情况下，它穿过整个玻璃板底部所花费的时间还不到1分钟。 研究人员计划进1步对其速度性能进行改进，不过他们对它没有因为不断发生的热胀冷缩而损坏感到欣慰。哈佛大学的博士后罗伯特 谢普赫德(Robert Shepherd)说：“它足够坚强。”他指出这种机器人可以适应各种表面材料并在上面正常运行，包括毛毡，沙砾，泥浆，甚至果冻。不过它也有缺陷：目前机器人必须依靠1条外接电源线供电，科学家们希望找到1种方法能够实现电源内置，如此方能让它投入实际应用之中。 塔夫茨大学的神经生物学家巴里 特里莫(Barry Trimmer)是该大学蠕虫机器人项目团队成员，他说：“在软体机器人领域还有很多挑战需要面对，对于这些问题的解决没有捷径可走。” 机器人专家卡莫 马吉迪(Carmel Majidi)在卡内基 梅隆大学领导软体机械实验室，他认为尽管这1成果是基于之前的研究基础，但是仍然极具创新。他说：“这是1种简单的概念，但是看起来他们似乎很好的模拟了自然界的生物运动模式。”。
2、科学家研发软体机器人电池的方案有了新思路了吗？
两百多年前，意大利物理学家伏特从电鳗身体结构得到启发，发明了最早的电池——伏打电池。如今，人类在研究出电鳗放电的原理后，又研发出了“软体电池”。这种“软体电池”又软又灵活，有可能应用于下1代的软体机器人和起搏器中。 这种新型“软体电池”由瑞士弗里堡大学和美国密歇根大学、加利福尼亚大学的研究团队共同研制。相关的研究论文已于12月13日在国际学术期刊《自然》（nature）上发表。 此前的科学研究已发现，电鳗可以通过发电器官来发电，其发电器官占到了其两米长身体的80%。电鳗尾部两侧的肌肉由规则排列着的6000-10000枚肌肉薄片组成，薄片之间有结缔组织相隔，并由许多神经直通中枢神经系统。其头部是正极，尾部是负极，每枚肌肉薄片像1个小电池，可产生约150毫伏的电压。但近万个“小电池”串联起来，放电时的电压可高达600-800伏，足以电死1个人，甚至1匹马。 弗里堡大学阿道夫•梅克尔研究所(AdolpheMerkleInstitute)的教授迈克尔·梅尔（MichaelMayer）团队模仿的就是电鳗的发电器官。其含有多种颜色的凝胶块，呈长条排列，很像电鳗的发电细胞。想打开电池，只需要1起按压这些凝胶。与传统电池不同，这种电池又软又灵活，有可能会应用于下1代的软体机器人。因材料更贴合人体，这种电池也有望用于制造下1代的起搏器等。 为了研制这种不同寻常的电池，该研究团队成员托马斯·施罗德（ThomasB.H.Schroeder）和AnirvanGuha开始大量阅读有关电鳗的放电原理。这些细胞以长条状堆叠，细胞间填充着液体。就好比是涂抹了蜂蜜或糖浆的薄饼，再将其放倒。 当电鳗处于休息状态时，每个发电细胞都会把阳离子从背面和正面转运出去，产生两个相反的电流，进而互相抵消。但电鳗需要电的时候，发电细胞的背面就会翻过来，向相反的方向转运相互阳离子，就会产生电压。关键的是，每个发电细胞都同时完成这个操作时，加起来的电压是十分高的。这就好比是电鳗的尾巴里有几千个小电池，其中有1半的方向是相反的，但它们可以翻转使其全部1致，产生电压。“这种专业程度简直是太神奇了，”施罗德说。 所以，施罗德和其同事首先想到的就是在实验室里重塑类似的发电器官，但他们很快意识到这太复杂了。随后，他们想到可以制造大量的细胞膜来模仿发电细胞堆，但是这些材料无法大量操作，因为如果1个破了，整个系统就会关闭。施罗德说：“这样会遇到圣诞灯串的问题，即1个灯泡坏了，1串灯泡都不亮了。” 最后，他和Guha选了更简单的1个装置，这就涉及到在两片单独的板上排列放置凝胶块。请看下图中的底板，红色凝胶含有盐水，蓝色的含有淡水，离子可以从红色凝胶流到蓝色凝胶，但是由于凝胶是分散的，所以离子并不能流动。当另1块板材上的绿色和黄色凝胶桥连上红蓝凝胶之间的缝隙时，就为离子提供了可以通过的通道。 值得注意的是，这里有个设计巧妙的地方：绿色凝胶块只允许阳离子通过，黄色的只允许阴离子通过。也就是说阳离子只能从1边流入蓝色凝胶，阴离子则从另1边流入，蓝色凝胶周围就会产生电压，就像发电细胞1样，而且每个凝胶块会产生1个小电压，但是数以千计的凝胶块成行排列，最高可产生110伏的电压。 在电鳗神经元发出信号后，电鳗的发电细胞就会开始放电。在施罗德设计的凝胶中，触发器就简单很多，只要把凝胶压在1起就可以。 不过，承载凝胶的板材如果过大会很麻烦。但是密歇根大学的工程师MaxShtein提出了1个巧妙的解决方案——折纸。类似于卫星太阳能电池板可折叠1样，他用1种特殊的折叠方式将板材折叠来折叠，使正确的颜色的以正确的顺序接触。这样整个电池所占的空间就会小很多，大小只有隐形眼镜那么大，或许某天可以戴到身上。 但对现在来说，这种电池必须要具备充电功能。因为电池1旦激活，可供电几小时，之后整个凝胶中的离子会趋于平衡，电池也就没电了。这时需要把电池通上电，让凝胶回到高盐度和低盐度排列的状态。施罗德称，身体会持续地补充离子含量不同的液体。他想象或许有朝1日可以利用这些液体来制造电池。 美国范德堡大学的KenCatania花了很多年来研究电鳗的生物学原理。他表示：“我很惊讶电鳗能为科学界带来这么多贡献，这对基本的科学价值观来说，是1个很好的范例。”。
3、软体机器人目前的研究方向有哪些?
工业、医疗是未来方向。总体上看，软体机器人是1个非常有前景的研究领域，而其研究据智东西的观察也是从2000年之后才开始的。当前，这1研究正在学术界如火如荼的进行着，这些科学家们试图要创造出1种不同于传统机器人的新型机器人整体。从学术界引申到商业，软体机器人确有其用武之地，1方面，刚性材料的机器人更锋利、更硬，1旦人类误用或误撞了机器，将给人类带来肉体上的伤害，而软体机器人则相对会给人类缓冲时间，不至于使人类受到大的伤害。软体机器人的市场软体机器人更加的灵活，可通过细小的缝隙等。因此，软体机器人在国防方面将有重要作用，替代人类深入到核反应堆等1些列危险区域。另外1个软体机器人潜力较大的市场就是医疗行业，软体机器人可凭借其小巧和灵活的特点，帮助人类进行精密的血管、神经组织的手术，减少原来刚性机器人对人体的损伤。
4、具有多运动模式的可变形软体机器人研究
具有多运动模式的可变形软体机器人研究 具有无限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寸的软体动物在自然界中具有极强的适应能力。发展具备类似能力的仿生软体机器人,1直是各国研究人员的目标。作为对仿生机器人研究的延续,仿生软体机器人通过主动变形和被动变形的结合使其具有出色的运动灵活性和对复杂环境的相容性,在军事、科研、医疗等领域具有广泛的应用前景。 针对当前仿生软体机器人存在运动模式单1,运动效率和环境适应能力不能有效兼顾的问题,本论文以能实现3种运动模式的仿生软体机器人为研究对象,围绕着仿生软体机器人3种运动模式的实现机制,开展了仿生软体机器人多运动模式实现原理研究,仿生软体机器人整体结构设计研究,仿生软体机器人运动特性研究以及内嵌SMA丝的平板弯曲驱动器动态特性研究等工作。论文的主要研究内容和成果如下： (1)通过分析自然界中各种软体动物的运动特点,在已有研究工作的基础上,结合形状记忆合金的特性,设计了1种将滚动运动、蠕动运动和Ω型运动方式集合在1起的可变形仿生软体机器人。在平坦路面上,通过自身的柔性变形推动仿生软体机器人向前滚动运动,以提高其运动速度和运动效率；在通过狭小空间时,身体展开采用蠕动运动以提高通过性；而遇到沟壑或者障碍时,身体变形采用Ω型前进提高其越障能力。通过对仿生软体机器人的3种运动模式进行详细的研究,获得了软体机器人实现3种运动模式的运动机理,然后在此基础上完成了软体机器人的总体方案设计。软体机器人采用模块化的设计思想,由运动单元和分离单元组成。每个运动单元包括了偏转单元和蠕动单元,设计了软体机器人的偏转单元和蠕动运动单元以及头尾连接结构。 (2)利用多刚体运动学仿真软件ADAMS对仿生软体机器人两种典型的运动模式,滚动运动和蠕动运动,进行运动学的仿真分析。基于伪刚体模型建立了仿生软体机器人在ADAMS中的滚动仿真模型,通过调整弹簧力的施加时序,使得机器人的滚动达到最优,获得了仿生软体机器人在X轴方向(滚动方向)和Y轴方向(垂直于滚动运动方向)的运动位移和速度曲线图,给出了仿生软体机器人滚动运动的控制策略。建立了软体机器人在ADAMS中的蠕动运动仿真模型,采用微型锯齿结构来模拟仿生刚毛结构和粗糙的地面,获得了软体机器人在X轴方向(蠕动运动方向)上的运动位移和速度曲线图,并分析了运动特性。
5、ROS可以构建软体机器人吗
如果从核心架构来说，ROS可以看成1个开发机器人控制软件的工具链。所以，如果说开发机器人的流程，那么其本质就是怎么理解机器人系统。按照ROS目前给的主线，我觉得可以这样理解。机器人模型就是如何描述1个机器人。核心就是描述机器人的物理结构和运动学链。这个部分ROS给出的是解决方案是URDF（unifiedrobot descriptionformat）以及XACRO。通过编写URDF，可以给出1个机器人的通用描述。这部分ROS的wiki都有详细的介绍。
