重磅！北航團(tuán)隊(duì)Science Robotics軟體連續(xù)體機(jī)器人的感知及環(huán)境交互取得新進(jìn)展

11月29日，北京航空航天大學(xué)文力教授團(tuán)隊(duì)在《Science Robotics》以Research Article形式發(fā)表了最新的研究成果“Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction”。該研究利用大拉伸液態(tài)金屬電路技術(shù)集成軟體機(jī)器人、結(jié)合章魚觸手彎曲傳遞運(yùn)動(dòng)模式以及可穿戴柔性觸覺裝置，提出并制作了傳感電路一體化章魚臂機(jī)器人樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了仿章魚的傳感、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境交互操作方式。

這項(xiàng)研究涵蓋了多個(gè)研究領(lǐng)域，涉及生物學(xué)和機(jī)器人學(xué)等多方面的交叉。機(jī)械學(xué)院的博士畢業(yè)生謝哲新、博士生袁菲陽、劉嘉琦，碩士生田路峰為該文的共同第一作者。文力教授為該項(xiàng)目通訊作者。北京航空航天大學(xué)為該研究的第一單位、通訊單位。清華大學(xué)工程力學(xué)系，新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系為本研究的合作單位。

圖1 論文首頁（左）；《Science》官網(wǎng)圖片報(bào)道（中）；《Nature》官網(wǎng)News報(bào)道（右）

軟體連續(xù)體機(jī)器人的建模、感知及控制是機(jī)器人領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。軟體連續(xù)體本身具有較高的自由度和冗余度，對(duì)其非線性偏微分方程模型進(jìn)行數(shù)值近似求解的速度和精度難以同時(shí)保證。而軟體連續(xù)體的環(huán)境感知?jiǎng)t存在著傳感電路與機(jī)器人本體楊氏模量（<1Gpa）匹配難、功能結(jié)構(gòu)分布設(shè)計(jì)難等問題。

自然界的柔性體生物為解決上述問題提供了靈感。章魚在抓捕獵物過程中，其細(xì)長(zhǎng)的觸手采用一種獨(dú)特的“彎曲波傳遞”的模式接近目標(biāo)，首先從根部彎曲，然后彎曲點(diǎn)沿著手臂向獵物傳播。一旦吸盤附著在目標(biāo)上，其高靈敏度的觸手/吸盤神經(jīng)即會(huì)進(jìn)行感知并快速捕獲目標(biāo)。模仿生物章魚的這種獨(dú)特的捕食行為，可為軟體連續(xù)體機(jī)器人的感知和與環(huán)境交互提供參考。   

▍研究貢獻(xiàn)

通過實(shí)現(xiàn)類似章魚觸手具有高效柔性運(yùn)動(dòng)能力，靈敏的環(huán)境感知能力以及自主決策能力的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該研究主要做出三個(gè)貢獻(xiàn)。

1）為大變形軟體機(jī)器人集成具有多種傳感(例如彎曲、吸力、溫度)及自主信號(hào)處理能力的大拉伸電子系統(tǒng)。

2）根據(jù)章魚觸手彎曲傳遞運(yùn)動(dòng)啟發(fā)，提出簡(jiǎn)單、高效的傳遞式柔性臂控制方式，使得具有近乎無限自由度和高冗余度的柔性觸手能夠通過單一手指進(jìn)行控制。

3）提出基于大拉伸電子電路的可穿戴柔性觸覺裝置，用于感知和控制高冗余度仿生章魚臂，通過打通軟體機(jī)器人與人和環(huán)境的交互閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)了更為自然和直觀的人機(jī)界面。

▍貢獻(xiàn)一：集成液態(tài)金屬電子系統(tǒng)的仿生章魚觸手抓持器

首先，通過利用液態(tài)金屬柔性電路，團(tuán)隊(duì)賦予了大變形軟體機(jī)器人感知環(huán)境和自主決策的功能。研究團(tuán)隊(duì)提出了基于液態(tài)金屬的柔性高延展電子皮膚剛度梯度設(shè)計(jì)方法，解決了彈性基底與硅基芯片在大變形狀態(tài)下易剝離的問題。經(jīng)過增強(qiáng)的簡(jiǎn)單柔性電路單元在拉伸至710%的狀態(tài)下仍能正常工作，對(duì)集成傳感以及電子元件的復(fù)雜電路，其拉伸性也從140%提升到了360%。

Credit: 袁菲陽，謝哲新

這種增強(qiáng)的柔性電路不僅能夠在單一軸上承受大幅拉伸應(yīng)變，而且還具備對(duì)多軸拉伸應(yīng)變的適應(yīng)能力。更為引人注目的是，這種柔性電路不僅僅被動(dòng)地適應(yīng)變形，而且能夠通過感知人的交互進(jìn)行主動(dòng)響應(yīng)和相應(yīng)的變形。這種智能化的柔性電路為軟體機(jī)器人的實(shí)時(shí)環(huán)境感知和主動(dòng)決策創(chuàng)造了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。   

Credit: 袁菲陽，毛思哲，謝哲新

隨后，課題組在之前與Festo公司共同發(fā)布的仿生章魚觸手抓持器“Tentacle Gripper”（《Soft Robotics》，2020）的基礎(chǔ)上邁出了更為引人注目的一步。他們深入研究了生物章魚觸手及吸盤的神經(jīng)分布結(jié)構(gòu)，充分借鑒了自然界的設(shè)計(jì)原理，將可感知多方向大變形的柔性電路與機(jī)器人緊密結(jié)合，成功制造出一款集纏繞/吸附功能、觸覺感知、自主決策于一體的仿章魚臂末端。

圖2：集成液態(tài)金屬電子系統(tǒng)的仿生章魚觸手抓持器

這一柔性電子集成化抓持器的研發(fā)不僅使得軟體機(jī)器人在高度變形的情況下仍能保持一致的自主信號(hào)處理功能，而且為軟體機(jī)器人系統(tǒng)注入了多樣化的感知能力。抓持器不僅可以實(shí)時(shí)感知自身的形變狀態(tài)，還能感知0-100℃的環(huán)境溫度，以及對(duì)55kPa-3000mPa硬度物體的吸附狀態(tài)，為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中作出實(shí)時(shí)決策提供了關(guān)鍵信息。例如，在一個(gè)復(fù)雜環(huán)境中，抓持器能夠利用自身的彎曲狀態(tài)感知與環(huán)境的接觸，進(jìn)而避開障礙，隨后通過感知環(huán)境溫度來探測(cè)目標(biāo)物的方位，最后通過吸附感知進(jìn)行決策并握緊、關(guān)閉發(fā)熱的燈泡。   

Credit: 袁菲陽，陳勃翰，田路峰，付中強(qiáng)，毛思哲，謝哲新

▍挑戰(zhàn)二：高自由度軟體臂的仿生彎曲傳遞運(yùn)動(dòng)方式

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)章魚觸手的彎曲傳遞動(dòng)作進(jìn)行了生物觀測(cè)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提取彎曲傳遞運(yùn)動(dòng)特征，從運(yùn)動(dòng)學(xué)上將章魚觸手彎曲傳遞行為分類為趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）兩種模式。

Credit: 陳勃翰

基于對(duì)生物彎曲傳遞運(yùn)動(dòng)特征的深入理解，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了仿章魚臂的“彎曲波傳遞”運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并在自主研制的高自由度軟體連續(xù)體機(jī)器人上得到驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)快速求解（模型求解時(shí)間: 3ms），為連續(xù)體機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。

Credit: 劉嘉琦

利用這種章魚特有的驅(qū)動(dòng)方式，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了軟體臂在簡(jiǎn)單高效的傳遞式驅(qū)動(dòng)邏輯下的趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）運(yùn)動(dòng)模式。這種驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用，結(jié)合液態(tài)金屬電子系統(tǒng)，使得仿生章魚觸手抓持器與多段軟體臂的組合可以在大范圍、不同方向和距離的情況下自動(dòng)進(jìn)行抓捕操作。

Credit: 劉嘉琦，袁菲陽，田路峰，付中強(qiáng)，謝哲新

圖3：傳遞式驅(qū)動(dòng)邏輯下的趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）目標(biāo)物抓捕

最為重要的是，這種驅(qū)動(dòng)模式不僅能夠適用于具有任意段數(shù)的軟體臂控制，而且顯著降低了高自由度軟體臂控制的復(fù)雜度。

Credit: 劉嘉琦，袁菲陽，田路峰，付中強(qiáng)，謝哲新

▍貢獻(xiàn)三：基于可穿戴柔性觸覺裝置的人機(jī)交互新方式

另一方面，該研究還在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)將大拉伸液態(tài)金屬柔性電路技術(shù)應(yīng)用于可穿戴裝備，提出并制造了柔性觸覺指套，用于感知和控制仿生章魚臂，得益于傳遞式驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)易邏輯，指套電路可以通過提取的手指姿態(tài)信息控制章魚臂的運(yùn)動(dòng)。   

Credit: 袁菲陽，劉嘉琦，田路峰，謝哲新

同時(shí)，指套電路與仿生章魚觸手抓持器電路進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)了彎曲抓取控制。指套內(nèi)側(cè)嵌有吸盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)抓持器吸盤吸附上物體時(shí)，信號(hào)傳遞到指套時(shí)，指套內(nèi)嵌吸盤會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓在手指上同步產(chǎn)生吸附觸覺，將機(jī)器人觸覺傳遞到人手。

Credit: 袁菲陽，田路峰，謝哲新

柔性指套的引入不僅為用戶提供了更直觀、自然的控制手段，而且通過無線通信與仿生章魚觸手抓持器實(shí)現(xiàn)了高效的協(xié)同作業(yè)。這種先進(jìn)的交互方式為人機(jī)協(xié)同工作打開了新的可能性，尤其是在特殊環(huán)境或特殊任務(wù)需求下，例如無視覺環(huán)境，水下搜尋和抓捕等。這種仿生的高效控制方式不僅提高了機(jī)器人的靈活性，同時(shí)也為人類與機(jī)器人的深度融合提供了全新的途徑。

Credit: 袁菲陽，劉嘉琦，田路峰，付中強(qiáng)，毛思哲，謝哲新

Credit: 田路峰，劉嘉琦，袁菲陽，付中強(qiáng)，毛思哲，謝哲新

圖4：柔性觸覺指套控制仿生章魚觸手

這項(xiàng)研究工作揭示了生物“彎曲波傳遞”柔性抓捕新機(jī)理，突破了軟體連續(xù)體機(jī)器人-人-環(huán)境的感知及交互關(guān)鍵技術(shù)，為未來包括醫(yī)療輔助機(jī)器人，海底探測(cè)機(jī)器人，甚至仿生體外器官等在內(nèi)的的柔性機(jī)器人的交互式應(yīng)用提供了新的前景與發(fā)展思路。

該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目，自然基金委共融機(jī)器人重大研發(fā)計(jì)劃課題,科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等的支持。

論文pdf下載鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh7852  

Nature 報(bào)道鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03759-z

通訊作者文力為北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)檐涹w機(jī)器人，仿生機(jī)器人，機(jī)器人智能，機(jī)器人感知。          

實(shí)驗(yàn)室主頁：

http://softrobotics.buaa.edu.cn/

當(dāng)前軟體機(jī)器人正迎來一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ男聲r(shí)代。正如本文的研究，通過不斷突破技術(shù)壁壘，深入研究相關(guān)理論并關(guān)注實(shí)際應(yīng)用，成為了推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。隨著科技的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，軟體機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)繁榮，為人類社會(huì)帶來前所未有的創(chuàng)新和價(jià)值。

來源：機(jī)器大講堂