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7 厘米長，45 克重。
上能陡坡奔跑，下能水中游泳，能跑能跳還能舉重物......
而它，只是個長得像軟糖的軟體機器人。
其最為霸氣的一面，或許是它的模仿原型——獵豹。沒錯，就是追“急支糖漿”的那只動物，但它也是陸地上奔跑速度最快的生物。
以一張“小獵豹”的妖嬈擺動 GIF 開場
【雷鋒網(wǎng)注：基于該軟體機器人以獵豹為原型，為方面閱讀，文章稱其為“小獵豹”】
由于軟材料本身的局限性，難以快速存儲或釋放大量機械能，一般的軟體機器人的運動速度和操作強度也會受限。不過，小獵豹之所以為小獵豹，就在于它與一般軟體機器人不同。
受獵豹高速奔跑過程中脊柱活動機制的啟發(fā)，研究人員將基于雙穩(wěn)態(tài)脊柱的混合軟致動器用于軟體機器人的設(shè)計中，通過可逆的貫通雙穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)類似的脊柱屈曲和伸展。
由此，小獵豹不僅能進行高速運動，在高強度物體操縱中也能夠得心應(yīng)手。
研究論文現(xiàn)發(fā)表于 Science Advance，題為“Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”。
文章指出，小獵豹約 7 厘米長，重達 45 克，主要由兩部分組成：彈簧驅(qū)動的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（作為骨骼脊柱）、兩個軟性氣動彎曲致動器（作為骨骼?。?。
想象一下獵豹奔跑時的體態(tài)，脊背彎曲，四肢伸展騰空，落地時四肢收縮交錯蹬地。既然是以獵豹為原型，小獵豹也是這么跑起來的，如圖：
圖片是這樣
然而，動起來是這樣
看這運動姿勢，感覺獵豹被黑了。
小獵豹能夠利用軟性氣動彎曲致動器在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間實現(xiàn)快速，可切換的彈性突跳。
前面提到，一般的軟體機器難以儲存和釋放機械能，由此研究人員在設(shè)計小獵豹時加入了線性彈簧，連接小獵豹的骨骼脊柱，通過彈簧預(yù)緊力或者調(diào)整彈簧的剛度實現(xiàn)能量儲存。
在小獵豹的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，彈簧起到了放大器的作用，不僅提高了速度和作用力，還提升彈性的調(diào)節(jié)空間。
這樣的設(shè)計，研究人員稱其為“雙穩(wěn)態(tài)混合軟致動器設(shè)計”。
II 和 III 為穩(wěn)定狀態(tài)
從表現(xiàn)來看，小獵豹在奔跑時，其骨骼脊柱會上下彎曲，四肢在收縮和伸展之間變換，在騰空或觸底是，脊柱伸展至極限，其軟性氣動彎曲致動器和彈簧處的能量會處于低點，這便是“雙穩(wěn)態(tài)”。
值得注意的是，小獵豹尚未能主動制動，而需要連接氣管充氣，通過空氣泵交替彈開，讓小獵豹在正弓蹬地和反弓騰空之間變換躍進。
獵豹是陸地上奔跑速度最快的生物，其速度最高可達 29 m / s，那么這個模仿獵豹的 7 cm 迷你小獵豹機器人在實際運動中的表現(xiàn)如何？
研究指出，小獵豹機器人在 3Hz 左右的低驅(qū)動頻率下，其速度可達每秒 2.7 個體長，約 18.75 cm/s。和獵豹的風采比起來，小獵豹看起來好像不是很厲害的樣子。
但要知道，小獵豹是軟體機器人，與獵豹不是同一對象類型，因此將二者進行對比無實質(zhì)意義，正確的對比對象應(yīng)為其它軟體機器人。
對比以往的軟體機器人，其最快速度僅有每秒 0.8 個體長，而小獵豹的速度是其 3 倍多。
不僅如此，以往的軟體機器人只能在地面上爬行，而小獵豹不僅能上坡，還能下水，甚至于在物品抓取方面，也是尖子生。
表現(xiàn)得最好的就是小獵豹（左和上）
在爬坡測試實驗中，研究人員將小獵豹與另外兩種軟體機器人放置于在傾斜角為 17° 的坡面。結(jié)果顯示，僅有小獵豹能夠快速上坡，另外兩個軟體機器人均顯得十分吃力，且上坡失敗。
在入水試驗中，研究人員將小獵豹的軟性彎曲致動器重新封裝，以適用于水下運動。改良后的小獵豹長度約 150mm，質(zhì)量為 51g，其中彎曲致動器的長度為 45mm。
實驗結(jié)果顯示，小獵豹在水中的行進速度最高可達 11.7 cm / s，比另外兩個軟體機器人分別快 32％ 和 122％。
在抓取作業(yè)中，小獵豹軟體機器人不僅能夠抓取雞蛋這種易碎物品，11.4 kg 的重物也不在話下。至于能夠抓取多重的物體，主要還是取決于彈簧，彈簧剛度越高，其抓取能力越強。
不過，對軟體機器人而言，抓取易碎物品的要求比抓取重物更高。首先，在物品抓取時要足夠輕，其抓手在柔軟之余還要具備抓力。另外，在移動的時候，彈簧要始終保持在不活動狀態(tài)。
正所謂，拿也輕輕，放也輕輕。
對比剛性機器人，軟體機器人的發(fā)展較為滯后。
對比已經(jīng)在巡邏、配送、教育等場景中走向應(yīng)用的剛性機器人，軟體機器人目前尚處于產(chǎn)出學(xué)術(shù)成果的階段。
香港科技大學(xué)機器人研究院院長王煜曾在世界機器人大會上表示，軟體機器人發(fā)展面臨著三大關(guān)鍵問題——機械運動原理、剛性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和反饋。
同時，他補充稱，軟體機器人要越來越多，小問題都有多多少少的進展，慢慢地這些成功的案例和經(jīng)驗?zāi)軌蛉诤显谝黄?，使得軟體機器人在理論上有所發(fā)展；模仿獵豹的軟體機器人便是理論研究發(fā)展之一。
盡管只是一個小小的進步，但任何質(zhì)變的產(chǎn)生，不都是量變的結(jié)果嗎？
雷鋒網(wǎng)注：圖中配圖來自論文以及環(huán)球科學(xué)雷鋒網(wǎng)
參考資料：
【1】https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaaz6912
【2】https://tech.sina.com.cn/d/i/2020-05-10/doc-iirczymk0813641.shtml
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