柔性感知机器人
柔性感知机器人（英语：Flexible Sensing Robot），指具有材料柔软性、环境适应性、运动灵活性、更高的安全性和人机互动性的新一代机器人。柔性机器人是近年来新一代机器人技术中的热点之一，主要应用于工业和医疗两大领域。近年来，柔性机器人结合柔性电子、力感知与控制、人工智能技术，获得了力觉、视觉、声音等环境感知能力，对任务的迁移能力增强，可执行依赖感知的任务（如医疗手术），应对多任务的通用性与应对环境变化的自适应性大幅提升，拓展了机器人的适用场景。
从工作原理来看，柔性感知机器人由机器感知、机器行动、人机交互三大部分构成。机器感知包括机器视觉、机器听觉、机器触觉等，是由一系列复杂程序所组成的大规模信息处理系统。机器感知通过利用电磁波、GPS 信号、红外线等，能够实现人类感官无法达到的感知能力和范围。机器行动依靠机器人每个活动关节处安装的驱动器来完成，驱动器可将电能、液压能和气压能等转化为机器人的动力。人机交互是通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与机器对话的技术。柔性感知机器人的人机交互主要通过深度学习和自然语言处理来完成。
从构成材料来看，目前的柔性感知机器人大多仍由多个硬性单元构成，如金属和塑料。由柔性材料构成的机器人还处于实验室阶段，离规模化应用尚有距离。柔性材料是近年来柔性机器人的研发热点之一，目前有报道显示的可用于柔性机器人构成的柔性材料包括橡胶、水凝胶、硅胶、液态金属、电活性聚合物、充气聚合物、形状记忆合金、人造肌肉纤维、蚕丝、纸等。虽然柔性感知机器人尚处于实验室样机阶段，但其应用前景广阔。预计今后柔性感知机器人将逐步替代传统工业机器人，成为生产线上的主力设备，并在服务机器人领域开始规模化应用。
技术的发展现状及态势
柔性感知机器人的技术要点主要包括机器感知、机器行动、人机交互、柔性/仿生材料、驱动方式等。需要高灵活性和可变形性的柔性机器人，主要技术难点在于其构成材料，其次在于驱动上。
材料：柔性感知机器人在设计当中的一个主要难点就是材料，因为传统机器人在设计当中所使用的刚性材料已经无法满足现在的设计应用，毕竟柔性结构的组成必须要使用相关的柔性材料，只有这样才能够实现柔韧性的运动方式，目前有很多机器人采用的都是水凝胶的外壳，通过这种特殊的材料来打造出人造肌肉的结构设计，在使用当中这种材料不仅能够根据温度快速改变形状，同时也可以更好的伸缩完成各种复杂动作。例如，麻省理工学院（MIT）的一个研究团队就做了尝试性的试验，他们用 3D 打印和激光切割打造出水凝胶的外壳，实现“身体”的“柔韧性”，然后通过液压驱动的方式驱动机器人的运动。
驱动：驱动方式也是柔性感知机器人在设计当中的一个难点之一，主要原因在于柔性感知机器人建模困难，控制变量多，当前的控制方法仅能采用人为给出的控制信号序列进行运动验证，要实现机器人自主完成各项任务，还需研究和发展新的控制方案。目前，柔性感知机器人大多采用电动驱动，这一驱动方式具有变形大、能量密度高、结构紧凑、重量轻、价格低和噪音小等优势，但如果所需的电场强度过高，也会影响机器人的运动效果。其次就是利用环境的变化来获取动力，如温度、空气以及光照等方式。但是这些驱动方式也有很大的隐患，机器人的运动精度控制上有难度。
此外，柔性感知机器人需要克服三大挑战：一是机器人领域的智能水平受制于端侧算力与小样本学习的有效性，有赖于云端协同的突破；二是柔性机器人的精度受制于材料的刚性，执行任务的准确性较低，有赖于可变材料的突破；三是柔性机器人的成本，有赖于工艺优化及通用化使得价格具备竞争力。
技术发展的竞争态势
当今世界范围内机器人技术处于第一梯队的有美、日、德、韩、中五国，基本主导了全球机器人前沿技术的研发方向。目前，国外柔性感知机器人研究，工业领域主要关注机器人的智能化、安全性、低成本和多功能性；医疗领域主要集中在机器人的灵活性、准确性和人机交互方面。
近年来，美国在柔性感知机器人的材料和驱动方式上取得了不少进展，包括达特茅斯学院分布式机器人实验室团队研发的声控软体机械鱼和软体机械手、伊利诺伊大学研发的微型生物混合机器人、哈佛大学等机构研发的可植入软体机器人和章鱼形状的完全柔性机器人 Octobot、科罗拉多大学波尔多分校研发的类生物肌肉的柔性自愈装置等研发成果。
与世界其他机器人大国相比，日本尤其偏好机器人外形、功能等在仿人体方面的研究。日本有 80 余所公立大学设有机器人研究室，其中大阪工业大学设有专门的柔性机器人实验室，该实验室的研究主要集中在人工肌肉方面，这一技术可广泛应用于双足机器人、外骨骼机器人、智能假肢、康复训练，甚至可扩展至工业、仓储物流、航空航天等领域。日本的柔性感知机器人最新研发成果也大多应用了人工肌肉技术。
德国的柔性机器人研发主要集中在工业和医疗领域。例如库卡（KUKA）公司研发的应用于工业的 KUKA 轻型七轴工业机器人“伊娃”和应用于医疗行业的 KUKA 轻型医疗机器人 LBR Med。2022 年 2 月，德国马克斯普朗克智能系统研究所（MPI-IS）的研究团队开发出一款拇指大小的柔性触觉传感器，名为Insight。该传感器基于机器视觉和深度神经网络技术，能够实现全方位的触觉感应，准确推断出物体位置及力信息。
韩国的柔性感知机器人技术主要关注服务领域。研发成果主要有：① 韩国首尔大学研究团队开发的一种仿真柔性电子皮肤，它由橡胶或硅胶材质的柔软物质构成，各个部位间可无明确界限地有机连接在一起，在 5cm×5cm 的面积中安装有芯片与电路，厚度在 1mm 以下，重量只有 0.8g。它小巧轻薄且具有强大的伸缩性，用于机器人表面不仅不会妨碍机器人的移动，还可以任意附着在物体的各个部位，具有广阔的应用前景，可用于便携式可穿戴设备等领域。② 韩国济州大学研发的 3D 打印柔性机器人，研究人员将复杂的多孔设计与 3D 打印技术结合，借助多种材料，制造出一系列带有骨骼和肌肉结构的柔性机器人。该技术可用于制造个性化的定制柔性机器人，使机器人产品具有更高的柔软性，能够与人类安全协作，也可应用于医疗等领域。
在中国，清华大学、浙江大学、中国科学技术大学、上海交通大学等均有研究团队在开发柔性感知机器人。例如，清华大学的张旻/王晓浩课题组联合美国加州大学伯克利分校林立伟团队及澳门大学钟俊文团队，研究了一种利用静电力实现的具有灵活转向控制能力的微型柔性机器人，该机器人具有能够与真正昆虫例如蟑螂相比拟的高敏捷性，同时通过简单的控制方案实现了微型机器人的运动轨迹控制。浙江大学、之江实验室的科研团队及其合作者受深海生物特性的启发，开发了一种能用于深海探测的无线自供能软体机器人，他们通过在马里亚纳海沟最深 10900 m 处和南海最深 3224 m 处进行实际测试，验证了这种机器人具有极好的耐压和游泳性能。中国科学技术大学计算机学院陈小平团队研发出了新型柔性机器人，该机器人可进行开门、开抽屉、擦玻璃、拧瓶盖等一系列操作。上海交通大学和 MIT 的研究人员开发出一种柔软、轻便、低成本的软体神经假肢手，可提供实时的触觉控制。
技术产业化的前景
机器人是技术的集大成者，在过去硬件、网络、人工智能、云计算的融合发展下，技术成熟度有了飞跃式地进展，机器人朝向多任务、自适应、协同化的路线发展。柔性感知机器人是重要的突破代表，具有柔软灵活、可编程、可伸缩等特征，结合柔性电子、力感知与控制等技术，可适应多种工作环境，并在不同任务中进行调节。近年柔性机器人结合 AI 技术，使得机器人具备感知能力，提升了通用性与自主性，降低对预编程的依赖。
在工业机器人领域，柔性感知机器人的出现让机器人从大规模标准化走向小规模非标准化的产线，柔性感知机器人在任务间的转换能力强，同时智能化后降低了使用门槛。在疫情影响下招工难度不断提升，柔性感知机器人有望帮助补足用工缺口。在服务机器人领域，柔性感知机器人极大改善人机交互的体验与安全性，通过感知人的行为，更柔软地产生反应，使得服务机器人可实现与人更自然地交互。柔性感知机器人的另一个发展方向是可移动性，与 AGV（自动导航机器）结合，可在更大范围中实现自主性与弹性，也为机器间与人机协作创造更多可能。
未来，柔性机器人将充分结合深度学习带来的智能感知能力，能面向广泛场景，逐步替代传统工业机器人，成为生产线上的主力设备。同时在服务机器人领域实现商业化，在场景、体验、成本方面具备优势，开始规模化应用。
参考文献
[1] 阿里巴巴达摩院. 达摩院 2022 十大科技趋势 [R]. 2021-12-28.
[2] 李志明等. 柔性机器人前沿技术发展趋势分析 [J]. 科技成果管理与研究，2021 年 第 6 期.
[3] 搜狐网. 哈佛和 MIT 都在研究的柔性机器人，还有哪些技术难点有待突破？[EB/OL].
[4] 腾讯网. 拇指传感器问世！有助于机器人的指尖更灵敏 [EB/OL].
