【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授王宏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在人形機(jī)器人與仿生機(jī)器人領(lǐng)域取得重要突破，成功研發(fā)出一種基于氣動(dòng)膨脹結(jié)構(gòu)與多維穩(wěn)定機(jī)制的新型仿骨變形柔性機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在重量?jī)H350克的情況下，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)315%的可伸展性，并具備優(yōu)異的承載能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與柔順性?；诖藙?chuàng)新機(jī)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制出首款輕質(zhì)軟體人形機(jī)器人“GrowHR”，其高度達(dá)1.36米，重量?jī)H為4.5公斤，不足傳統(tǒng)同尺寸剛性機(jī)器人重量的20%。
 

　　這項(xiàng)突破性研究為解決機(jī)器人安全性與環(huán)境適應(yīng)性難題提供了全新的技術(shù)路徑，有望推動(dòng)機(jī)器人從工業(yè)場(chǎng)景走向日常生活，像科幻電影中的“大白”一樣成為人類安全可靠的伙伴。
 

　　靈感源于人體骨骼，實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)可變形結(jié)構(gòu)
 

　　據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)每個(gè)家庭將有一個(gè)機(jī)器人幫助人類完成各種繁雜的任務(wù)，可能每個(gè)人都會(huì)有一個(gè)機(jī)器人與之朝夕相伴。然而目前的機(jī)器人仍然難以廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)方面的原因在于其質(zhì)量太大，結(jié)構(gòu)太剛硬，容易撞到人或者周圍的環(huán)境，造成人身和財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人也容易被撞壞。而且人類各種的復(fù)雜的環(huán)境，機(jī)器人本身也難以適應(yīng)。盡管在科幻電影里“大白”機(jī)器人很好的解決了類似的問(wèn)題，但是在現(xiàn)實(shí)生活中如何實(shí)現(xiàn)成為過(guò)去幾十年科學(xué)家一直在苦苦尋找解決方案的問(wèn)題。
 

　　王宏強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)從人體骨骼的“剛?cè)岵?jì)”特性中獲得靈感，提出并實(shí)現(xiàn)了仿骨變形柔性機(jī)構(gòu)(圖1)。人體骨骼既堅(jiān)固又能通過(guò)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)，甚至在受到?jīng)_擊時(shí)能通過(guò)微小形變吸收能量，通過(guò)氣動(dòng)膨脹結(jié)構(gòu)與多維穩(wěn)定機(jī)制的協(xié)同設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬了骨骼的變形與承載特性，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種既輕便又強(qiáng)韌的新型機(jī)構(gòu)。
 

　　“GrowHR”：變形自如的多場(chǎng)景機(jī)器人
 

　　基于仿骨變形柔性機(jī)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)成功研制出名為“GrowHR”的軟體人形機(jī)器人。GrowHR不僅外形仿人，功能上更是“超人”，具備傳統(tǒng)人形機(jī)器人機(jī)器人難以企及的變形能力與環(huán)境適應(yīng)性：
 

　　動(dòng)態(tài)形態(tài)自適應(yīng)： GrowHR能夠根據(jù)環(huán)境需要自主調(diào)整體型，在狹窄或受限空間中顯著收縮體積。實(shí)驗(yàn)演示中，它可通過(guò)變形穿過(guò)高度僅為原身高36%的矮洞，通過(guò)收縮肚子擠過(guò)寬度僅為原身寬61%的狹縫，顯著提升了其在復(fù)雜地形中的通行性與環(huán)境適應(yīng)能力。
 

　　多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力：得益于腿骨的伸縮功能，GrowHR不僅能像傳統(tǒng)人形機(jī)器人那樣行走，還可像蟲(chóng)子一樣蠕動(dòng)爬行(圖2(c))，進(jìn)入極小的洞穴空間。同時(shí)，其整體密度僅為水的5.8%，具備卓越的水上性能——可在水中負(fù)載自身重量16倍的物體，實(shí)現(xiàn)漂浮、游泳，甚至借助腳蹼和質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)輕工“水上漂”。從而大大拓寬了人形機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景，不光可以用于工廠和家庭，還可以用于水上救援、水面清理等任務(wù)。
 

　　輕質(zhì)可空投：由于整體質(zhì)量輕(4.5公斤)，借助涵道風(fēng)扇或者無(wú)人機(jī)，GrowHR甚至可以“上天”，從而可以進(jìn)行上千公里的遠(yuǎn)距離投放作業(yè)。
 

　　本征安全設(shè)計(jì)，適合人機(jī)共處環(huán)境
 

　　安全性是GrowHR的另一大突破。傳統(tǒng)機(jī)器人由于質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)剛硬，在意外碰撞中可能對(duì)人或環(huán)境造成傷害。GrowHR的骨骼本身具有柔性且質(zhì)量輕，從而使得整體機(jī)器人具有了更好的安全性。例如其倒地撞擊力僅為同等重量下的剛性機(jī)器人的1/1.7，而且其重量足夠輕，甚至可以被一個(gè)6歲小孩舉起，并可安全地進(jìn)行各類互動(dòng)，因此對(duì)于與之可能朝夕相處的人類來(lái)說(shuō)，這種機(jī)器人是本征安全的。
 

　　“我們的目標(biāo)不僅是創(chuàng)造功能強(qiáng)大的機(jī)器人，更是確保它能安全地與人類共同生活和工作，”團(tuán)隊(duì)成員表示，“GrowHR的本征安全特性使其非常適合未來(lái)家庭、醫(yī)療、教育等近距離人機(jī)交互場(chǎng)景。”
 

　　拓展人形機(jī)器人的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景
 

　　這項(xiàng)研究極大地拓寬了人形機(jī)器人的應(yīng)用可能性。傳統(tǒng)人形機(jī)器人多局限于結(jié)構(gòu)化環(huán)境，而GrowHR憑借其變形能力與多模態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，可適應(yīng)從室內(nèi)家居到野外救援，從水面清理到空中投放的多樣化場(chǎng)景。
 

　　想象一下，未來(lái)每個(gè)家庭可能都有一個(gè)這樣的機(jī)器人助手，它可以在狹窄空間幫您尋找物品，在緊急情況下穿越障礙進(jìn)行救援，甚至在水災(zāi)時(shí)執(zhí)行水面搜救任務(wù)。它的輕質(zhì)安全特性讓人類可以放心與之相處。
 

　　該研究為更安全、更多功能的未來(lái)人形機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)和走入我們的生活，提供了一種全新的有效的解決思路。南科大團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于創(chuàng)新機(jī)器人技術(shù)，為構(gòu)建更安全、更智能、更融合的人機(jī)共處未來(lái)貢獻(xiàn)力量。
 

　　這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Science Advances，標(biāo)題為“Bioinspired Growable Humanoid Robot with Bone-Mimetic Linkages for Versatile Mobility”。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士生劉豪為論文第一作者，楊炎達(dá)、王婷、尹金濤為論文共同作者，王宏強(qiáng)教授為論文唯一通訊作者。南科大為論文第一單位。該項(xiàng)目由國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、廣東省科研支持計(jì)劃等資助。