Untethered soft robot
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leiphone 作者：大壮旅
哈佛大學的科學家們，正在努力推動新機器時代的到來，他們要讓蜷縮在工廠角落的機器們，成為我們生活的日常。當然，這些機器人會換變換其他形態示人。
歡迎來到新的機器時代，各路才能迥異的科學家，都能使用先進材料、廉價傳感器、3D 列印和強大的電腦，來助力機器人研發的腳步了。
在上一個機器週期中，創新改變了我們的工廠和倉庫，不過這些機器人更適合在可控的環境中工作，大多數時間游離在公共視野之外。
對哈佛和全球其他地方的研究者來說，新的目標是讓機器們在「主幹道」上亮相。「在科幻小說裡，這樣的景象我們已經耳濡目染 50 多年了。」 Robert Wood 說道，他是哈佛工程和應用科學教授。「不過，這樣的機器人在哪呢？」
次世代機器人肯定要廣泛進入現實世界，它們不但要在森林和田地中跋涉去乾重體力活，還要載著人們出行。當然，也少不了在廚房裡做些家務。
這可不是胡亂開腦洞的瞎猜，畢竟像亞馬遜這樣的零售巨頭，已經開始著手用無人機送貨了，而自動駕駛測試車，也成了許多城市的新風景，能掃地拖地擦窗戶的機器人，也成了許多家庭的標配。
不過，以上這些任務只是未來機器人的常規工作，在危急時刻它們還要做些精細的工作，如災害搜救、幫殘疾人重新奔跑、修復受傷的心臟，甚至還要替人類打仗。
工程學教授 Robert Howe 就表示：「當然，現在我們已經掌握了不少技術，過去十年來的技術突破，讓我們能打造足夠棒的機器人，來解決現實問題了。」
「我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人」
新勢力推動者
哈佛最近在機器人領域的一系列動作，讓這潭死水重新活了起來。大學教授 George Whitesides 就提到，他在柔性機器人上的突破，就與哈佛在柔性材料物理學，和微觀流體上的成就密切相關。
最早推動柔型機器人風潮的是日本研發人員，那還是在上世紀 90 年代。最近，Whitesides、Wood 和一些大學的創新重新讓該領域動了起來，為新的設計和特性趟出了一條路，機器人不再是僵硬的齒輪，和槓桿驅動的鐵疙瘩了。
「透過新材料的應用，我們替換了老式控制機構。」
Whitesides 說道。說這番話時，他正手握一個長得像海星的橡膠夾鉗，只要充滿氣，它就能牢牢抓住某個物體。「如果沒有新材料和新技術，老式機器人根本沒有革新之日。」
研究人員的努力，創造了各種天馬行空的新型機器人，有些即使被車輛碾過，它們也能正常工作。此外，它們還用蠕動和爬行，代替了滾動和生硬的前行。
此外，這些機器人還連帶促進了新製造技術的發展，比如 3D 列印。更有趣的是，這些機器人成了《國家地理》雜誌的內容生產利器，在海底收集到了大量前所未見的珊瑚。當然，創新也催生了大量新公司，新產品的商業化更是方便了，包括農場、倉庫和生產線在內的各行各業。
「將創意轉化成商品的過程，也相當有趣。」 Whitesides 說道。「機器人最先解決的問題，是我意想不到的，而且整個商品化過程，比我想像中要快得多。」
哈佛大學技術發展辦公室的 Sam Liss 指出，類似 Soft Robotics 這樣的新創公司，已經能提供相對簡單的機器人研發方式了。
「新創公司的結構已經相當成熟。」他說道。「僅僅幾年而已，Soft Robotics、RightHand Robotics 和 Root Robotics 等公司就拔地而起了，未來肯定還會有更多公司加入其中。這樣的轉變對哈佛也是個啓示，我們不但要重視研發，各院系還要集中精力將研發成果轉化成有影響力的實際產品。」
哈佛機器人「勢力」的野蠻生長，主要靠鮑爾森工程和應用科學院，生物工程系也功不可沒。教職工、學生和學會成員普遍反映，在機器人開發工具，和設備上的大力投資，對他們的工作影響頗深。
「對我的工作來說，這些工具實在太重要了，學生們和博士後終於有趁手的傢伙了。」Wood 說道。
團隊合作
哈佛大學一直有個機器人專家核心團隊，雖然只有十個人左右，但他們會定期進行交流合作。專家團隊海陸空機器人通吃，只要它們能協助人類完成工作。當然，這些機器人也得反映出開發者的創新意識和思維。
「我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人」電腦科學教授 Radhika Nagpal 說道。「會飛的、能爬牆的、可穿戴的機器人都已經成了現實。現在的機器人可狂野得多，它們更像是動物，而非傳統印象中的輪式車輛或金屬骨架。」
這些機器人中的代表之一是 RoboBee，它由 Wood 一手開發，使用 Nagpel 的軟件來控制。這個昆蟲大小的飛行機器人，不但能變身測量工具，還能在災區、農業病蟲害，甚至戰區採集數據和圖片。這麼小的體型，傳統的機械槓桿、齒輪等現成零組件完全用不上，它需要的可不只是天才設計師。
「就拿 RoboBee 來說，它用的零件市場上可買不到。」Wood 說道。「我們得一切從頭做起：新的製造技術、啓動器、傳感裝置、計算架構甚至能源儲存都得一一攻克。另外，控制機器人動作的算法，也是從零開始，之前的老經驗都派不上用場了。雖然挑戰多多，但我們真心喜歡這個過程，不僅是研發成功後的喜悅和各種新功能，還有整個過程中沈澱下來的新技術。」
Wood 就舉了個例子：飛行機器人用到的傳感器和致動器，就能移植到生物醫學設備中，因為微創手術設備（如內窺鏡）的「體型」可是相當重要。
工程和應用科學教授 Walsh 指出，醫學機器人頗受業內重視，主要原因就是它們對人類生活品質的積極影響。眼下，Walsh 的試驗室正在打造柔性外骨骼套裝，也許未來的一天，他們能讓中風病人重新站起來，用自己的腳步丈量大自然。
哈佛機器人系在醫學機器人的研究上，還有個得天獨厚的優勢，即哈佛醫學院及其下屬的 16 家醫院和研究機構的支持，病人到底需要什麼它們絕對心知肚明。
舉例來說，在美國國家衛生研究所的支持下，Howe 和波士頓兒童醫院的兒科主管 Pierre Dupont 已經合作多年，他們要用機器人解決心臟外科手術。如果能取得成功，就能用微創手術代替現在痛苦的開胸手術了。
「對病人來說這絕對是個福音，創傷和風險都要小得多。」Dupont 說道。「我們在做的，是臨床醫生原來想都不敢想的。」
「我們想做的是能真正提升人類生活品質的產品」
Walsh 還將柔性外骨骼的技術，授權給了 ReWalk Robotics 公司，後者有計劃今年推出用於臨床試驗的產品，並在五年內把概念變成商店裡的商品。
「我們想做的是能真正提升人類生活品質的產品」。Walsh 說道。
Walsh 的研究成果，能在醫學上得到應用，也有美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的一份功勞，雖然它們當初是想借外骨骼技術，打造超級士兵。不過，現在該技術卻成功下放到民用領域，不但能解決心臟外科手術，還有希望讓脊柱受傷、中風病人重新站起來。
「柔性系統概念的前提，是它必須足夠輕量化，沒有限制性且對人的生物特性有最小的影響，它的作用就像肌肉。」
Walsh 說道。「現在的問題是，這樣的系統真的對人的移動能力，產生積極作用嗎？」
從室內跑步機和長距離行軍測試來看，其增強效果約為 15%。除此之外，Walsh 的團隊還在測試中，幫中風病人提高了行走效率，減少了肢體間的功能性不對稱。未來，團隊還有其他高山要翻越，比如對外骨骼套裝進行輕量化，加大系統助力並保證套裝與自然動作同步。
行為問題
除了要解決機器運動的問題，瞭解它們如何思考也同樣重要，這也是哈佛大學研究人員一直在深思的問題。工程和計算科學助理教授 Scott Kuindersma 在增強控制系統上，有自己的觀點，他認為這樣才能完整釋放機器人的潛力。
「在我看來，物理能力完全合格的機器人並不難造。」Kuindersma 說道。「不過這些機器人卻無法實現自己的動態極限，在實際工作中也不夠穩健。從根本上來講，這是個計算的問題。」
最近，Kuindersma 的敏捷機器人試驗室迎來了名為 Cassie 的兩足機器人，它看起來就像一隻鴕鳥。Agility Robotics 公司設計的 Cassie ，就是 Kuindersma 所說的，物理能力完全合格的機器人。
「Cassie 用的還是 Agility Robotics 的老式控制器。」Kuindersma 說道。「它到實驗室後，我們做的第一個工作就是刪掉這個控制器。隨後，我們會開發新的算法，爭取將機器人的運動能力推到極限，Cassie 將成為一個實驗平台。如果一切順利，未來我們將用它展示高速戶外運動能力，而整個運動過程中 Cassie 將利用高頻視覺傳感器反饋，來規劃動態行走的動作。」
「想想那些在山澗中跳躍的山羊，如果它們不能迅速決定把腳放到哪，恐怕就會墜落山崖，而在那種複雜的地形下選個落腳地可不容易。我們想做的就是讓機器人也擁有像山羊一樣的能力。」Kuindersma 說道。
與 Kuindersma 專注於控制複雜動作的意圖不同，Nagpal 更在意如何驅動複雜的群組行為。
「我們的實驗室一直有經由簡單實現複雜的傳統。」Nagpal 說道。
「個體能力即使再強也有限制，因此我們更願意靠群體的力量來實現目標，團隊合作也是自然界中的通行規律。」
「個體能力再強也有限制」
為了實現自己的目標，Nagpal 在多地研究了擅長團隊合作的動物，如納米比亞的白蟻和巴拿馬的軍蟻，它們都是不需要進行中央調配，就能完成挑戰性十足任務的群居昆蟲。
「自然環境裡就有典型範例，實現完美的合作不需要繁多的條件，我們也想複製這種模式。」Nagpal 說道。「如果能成功，我們就能用上大量並不複雜的零組件，它們之間的協作也不複雜，但照樣能實現複雜的目標。」
按照這一理念，Nagpal 開發了小型機器人 Kilobot，它只需遵循簡單的指導方針，如位置和附近機器人的動作。組成集群後，Kilobot 們就能執行複雜任務了。
在一次展示中，這些小傢伙們排成了類似海星的隊伍，但整個過程，卻不需要複雜的電腦大腦或控制系統。她的團隊還在白蟻的啓發下開發了一款機器人，組成集群後就能在用戶指定區域工作。
「我們可以設定相關規則，讓它們總是能搭建正確的結構。」Nagpal 說道。「而且你不用管這個群體到底有 10 台，還是 50 台機器人，這些機器人也無需知道同伴的位置，它們甚至不需要知道自己的具體任務。」
在 Nagpal 看來，這種能集群工作的機器人，潛在應用場景很多，它們能快速做出災害應對，如幫救災人員壘起沙袋牆。加上環境傳感器後，也能執行勘探任務。Nagpal 的試驗室還開發出了機器魚，這些廉價的機器人能充當海底探測器，替換昂貴的潛艇。
Nagpal 指出，Kilobot 的誕生是技術快速發展的結果，新技術可不只是增加了新系統的複雜性，還大幅降低了成品零組件的價格。
「我原本認為玩硬體就是浪費錢，因為當時一台機器人要價 10 萬美元。」Nagpal 說道。「不過現在我改變想法了，因為機器人的成本已經降到了數百美元，我實驗室裡還有幾千個，成本只要 20 美元的小傢伙呢。」
Nagpal 已經將 Kilobot 的技術授權給了 K-Team（一家小型機器人製造商），現在全世界已經有 10 家試驗室用上了 Kilobot，其中有兩家甚至組建了規模達 1000 台的 Kilobot 集群。
「Kilobot 創造了一個活力十足的研究領域，其他實驗室用它打造的新系統我自己都不敢想像。」Nagpal 說道。
章魚一直是柔性機器人的靈感來源
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