斯坦福大学研发二代软体机器人，可利用障碍物规划路径

　　2017 年，美国斯坦福大学就研发出了一种叫做 KISS 的新型软体机器人，通过空气加压使尖端挤出新材料，长度可以增加到原来的数十倍，移动速度可达 22 英里/小时，拥有能够转弯和自动避障的特性，并且承重能力非凡，能够轻松撑起 100 公斤的重物。

　　它的外观不同于冰冷僵硬的金属机器，它的外部由管状的充气塑料构成，内部是一条柔软的驱动体，而且制造成本相当低。

　　这种机器人采用了新的运动方式，灵感来自于自然界那些并非通过位置移动，而是通过生长来覆盖周边范围的生物体，比如藤蔓、真菌和神经元等。

　　这种运动方式的特点是，主体末端可以延展伸长到原来的几倍，还可主动控制延伸方向。它的工作原理就是通过空气加压使尖端挤出新材料，所以看起来就像植物生长一样。

　　图 | 机器人部署的机器人到达了期望目的地（来源：斯坦福大学）

　　它能够用来钻洞，并且当遇到比自己个头小的洞口时，它自身的特性使得它照样能够钻过去。另外，它灵活的运动方式令它也能巧妙避开尖锐物体。

　　研究人员给软体机器人安装上相机、传感器等芯片后，它拥有了非常多的用途。它不仅能够实时传输影像，还能发送信号给后端的气泵，通过调节充入空气的量和流向来实现转弯和自动避障；它还能轻松穿过障碍物去灭火；可以伸长过去关闭气阀。

　　研究人员表示，软体机器人 KISS 可以应用在多个领域，例如救援和工程勘探，而且缩小体积后还可以用于医学领域。

　　但是，机器人到目的地的导航和运动控制一直是在假设与环境接触有害的情况下执行的任务。这对于刚体机器人来说是有意义的，在那里障碍物碰撞是非常危险的。

　　然而，由于许多软机器人具有低惯性和柔顺的身体，障碍物接触本质上是安全的。因此，限制机器人的路径不与环境交互是不必要的，而且可能是有限的。

　　2021 年，研究人员又更新了软体机器人。在新研究中，研究人员考虑到了软体机器人与障碍物的相互作用，重点研究了软体机器人通过使用气动驱动翻转来延伸它的顶端。

　　软体机器人的身体是由能吸收和消除碰撞的材料制成的，保证了许多软体机器人在环境接触中的安全。此外，软机器人的可变形性使其自然地适应它所接触到的物体的形状，而这两个特性有利于用在需要操纵或控制物体的任务中去。

　　图 | 机器人末端位置的实验轨迹（来源：斯坦福大学）

　　特别是用数学将软体机器人与障碍物的相互作用模型化，可以规划机器人导航到目的地。这项研究考虑到了运动规划中与障碍物有接触的有利方面，也就是说它减少了机器人运动的不确定性，研究的规划器生成的路径中，可以容忍甚至利用障碍物的碰撞，有助于导航软体机器人探索到它的目的地。

　　图 | 路径规划结果（来源：斯坦福大学）

　　研究利用了经验运动学模型，用数学模型化的方法描述了软体机器人与平面环境的相互作用。

　　利用这个交互模型，研究者提出了一种机器人到目的地的路径规划方法。规划者没有避免与环境接触，而是在有利于导航的情况下利用障碍物接触。研究发现，与避免所有障碍物接触的规划者相比，考虑并利用环境接触的规划者产生的路径面对不确定性更为稳健。

　　对于一个在杂乱环境中移动的机器人来说机器人与障碍物相互作用是不可避免的。与其把这种障碍看作消极的影响，研究人员证明了机器人与障碍物的相互作用在探索路径中是有积极意义的。虽然研究中的对象是软体机器人，但它的应用范围更广，可以推广到更多的非软体机器人上面。

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　　参考：https://arxiv.org/pdf/1908.08645.pdf