软体机器人：突破能力边界

软体机器人：推动机器人能力边界的技術與系統

软体机器人 2016年 © 作者，保 留部分权利；独家 授权人美国科学促 进会

全球软体机器人研究的蓬勃发展，在软体机器人的原理、模型、技术、方法和原型方面取得了丰硕的成就。本 文从这些成就赋予机器人前所未有的能力的角度进行综述。对该领域发展进程的分析表明，继2009年至2012 年期间的一些开创性工作之后，研究人员通过攻克从驱动、感知到建模与控制等一系列关键性的技术和科学难 题，取得了突破性成果。软体机器人领域的进一步发展所取得的成就，正日益体现在机器人能力的提升上—— 即从机器人得益于软体机器人方法而能够完成的任务角度来看。诸如挤压、拉伸、攀爬、生长和变形等能力， 若仅依赖刚性连杆的方法是无法实现的。软体机器人未来面临的挑战是，进一步发展机器人在生长、进化、自 愈、发育和生物降解方面的能力，这些正是机器人适应环境而改变自身形态的途径。

机引器言人学是构建具有理想运动、感知和认知能力的机器的科 学，而机器人则是旨在为人类服务而执行任务的机器。最近 的研究表明，机器人已成为科学研究中的优秀工具（1）。机 器人的能力在运动复杂性、精确度、运动控制准确性以及智 能水平方面均取得了进步（2），而这种能力的进步正是机器 人学的终极目标。尽管机器人技术在工业制造领域尤为先进， 但其正变得无处不在，因此预计很快将在许多任务和场景中 得到应用。使用软质材料制造机器人（3）已被视为当前的挑 战（4），以推动机器人技术的边界，并为自然环境中的服务 任务构建机器人系统（5）。柔软性可以从多个角度理解：柔 软的质地、柔软且可变形的材料、柔和的运动、弹性材料和 可变顺应性执行器，以及与人类友好自然交互中的柔软特性 （6）。软体部件的顺应性和弹性使其能够在无需控制的情况 下响应相互作用力，这支持了机器人学及其他众多学科中日 益采用的仿生方法（7）。对生物体的研究可以揭示一些有益 的原则，这些原则可用于开发额外的机器人能力，或更高效 地完成任务（8），因为生物体利用软组织和柔顺结构在复杂 的自然环境中有效移动（9）。

“软体机器人”这一术语最初用于指代具有刚性连杆和机械 上（或被动）具有顺应性且刚度可变的关节的机器人（10），或 涉及顺应性或阻抗控制（11），这超出了本文的范围。随后， “软体机器人”被用来强调从具有刚性连杆的机器人向仿生连续 体机器人的转变，这类机器人“本质上具有顺应性，并在正常操 作中表现出大应变”（12）。之后，给出了如下定义（13）： “软体机器人机械手是由软材料制成的连续体机器人，能够发生 连续的弹性变形，并通过生成平滑的主曲线来产生运动。”

（14）。”此定义引用了一篇开创性论文（14），其中将连续体 机器人定义为能够通过弹性变形实现弯曲的机器人。在特里维迪 等人（13）的研究中，软体机器人不同于具有刚性连杆的传统机 器人，也不同于具有大量短刚性连杆和自由度的蛇形机器人：因 此，软体机器人主要涉及使用软材料和有意设计的柔顺结构进行 构造。文献（9）中的综述则简单地以软体动物为类比，提到了 软体机器人。在（15）中，软体机器人被定义为由软材料制成的 机器人。回顾RoboSoft（16）社区在（17）中给出的定义，软 体机器人被定义为“能够主动与环境交互，并依赖固有或结构顺 应性发生‘大’变形的软体机器人/设备”。文献（5）中的综述 则从材料的杨氏模量角度定义软体机器人：“能够自主行为，且 主要由模量处于软生物材料范围内的材料构成的系统”。文献 （3）中给出的软体机器人定义同时使用了应用于材料领域的著 名概念“软物质”以及术语“软物质机器人”。在此，我们采用 RoboSoft的定义，该定义强调在与环境交互过程中体现的顺应 性和可变形性。

软体机器人所具备的顺应性主要优势之一在于能够实现具身 智能原理（例如前反射）。它们还能贴合表面或物体，吸收能量 以保持稳定性，并表现出物理鲁棒性和对人类安全的操作特性， 且可能具有低成本优势。图1展示了一种软体机器人方法的图示 谱系：从主要由刚性材料构成的机器人（具有刚性连杆和关节， 以及极少的有意设计的柔顺结构），到完全柔软的机器人。该谱 系涵盖了大量采用软材料或可变形结构制造的机器人，这些机器 人仅有少量刚性部件用于支撑或组件集成。此类软体机器人目前 占据了绝大多数，并预计将在多样化的软体机器人应用中得到最 广泛使用。

我们回顾了软体机器人领域的当前成就，展示了使用软材料或 可变形结构如何成为实现更先进或更高效机器人能力的途径，而这 些能力在过去是无法实现的。我们首先回顾了该领域的发展历程， 介绍了相关软体机器人技术与系统的早期实例和出版物，但不包括 软体机器人的前文献时期（ante litteram），即最早期的软体机器 人示例，其历史可追溯至

1生物机器人研究所，圣安娜高等学院，意大利比萨。 2意大利技术研究院微纳生物机 器人中心，意大利蓬泰代拉。*通讯作者。电子邮件：cecilia.laschi@sssup.it

科学机器人  | 综述
拉斯奇、马佐莱、奇安凯蒂，《科学·机器人》第1卷，eaah3690（2016年），2016年12月6日 1 / 11
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80年代和90年代，当时尚未被如此命名（18, 19）。随后， 我们从机器人当前能够实现的功能角度出发，分析了基于软 体机器人方法所达到的当前技术水平以及最新的成就。

软体机器人发展：开创性技术成就

软体机器人学源于机器人学，尤其是在寻求能够在自然环境 中为人类服务的机器人方面。与此同时，具身智能范式（20） 表明，软体可以通过变形、适应并响应相互作用力来部分控 制运动。通过利用相互作用力和顺应性而非对抗它们，可以 借助形态计算高效地实现所需行为（21）。

第一代软体机器人：驱动的挑战

第一代软体机器人的良好示例是受头足类动物的臂和触手以及大 象鼻子的肌肉静力骨骼启发而设计的机械臂，例如 OctArm，最 早在 (22) 中提出，随后不断改进，直至第六版（VI）（12, 13）。
OctArm 采用气动驱动，具有无关节骨架。这种连续且坚固的结 构使其能够抓取和操作不同尺寸和重量的物体。特里维迪等人 （12）报告了其他一些基于 EAP[电活性聚合物；(23)]和 PA M [气动人工肌肉；(24)]技术的软体机器人示例，这些技术能够 弯曲、收缩和伸长。另一个例子是采用硅胶橡胶制造并由形状记 忆合金（SMA）弹簧驱动的毛虫状机器人：该机器人最初在  (25) 中提出，之后逐步演化为更先进的版本。SMA 弹簧还被用 于复制一种有趣的软体机器人运动机制，该机制利用基于蠕动的 可变形性。寡毛纲（例如蚯蚓）的静水骨骼结构已被应用于一种 机器人（Meshworm）中，该机器人具有轴向和环向

分布的 SMA (26) 弹簧，这些弹簧交替地使网格结构收缩和变 形，从而交替增加和减小其直径和长度 (27)。最终的软体机 器人实现了蠕动运动，速度达到 3.47 mm/s（理论速度为  3.99 mm/s），并展示了对橡胶锤多次冲击的抗性 (28)。

变硬的挑战

被弹性膜包裹的颗粒材料在施加真空后，可以从非常柔软的状态 变为完全变硬的状态。其刚度可增加至多达40倍，例如从0.2增 加到7.8 N/mm（29）。这一原理可用作形态改变、移动性（ 30）以及最重要的刚度变化（31）的机制。这是软体机器人学中 提出的首个解决方案，尽管如今也使用其他方案，如文献（32） 中综述并在下一节中讨论的那样。一个柔软的颗粒阻塞身体可以 变形并适应，例如物体的形状以进行抓取；当变硬后，它可以保 持其形状。这种大范围、易于控制且能量高效的硬化机制如今已 在软体机器人学中得到广泛应用。

气动网络方法的诞生与制造挑战

尽管气动驱动在机器人学中已长期应用，但最近提出的所谓气动 网络（Pneu‐Net）方法如今已在软体机器人领域得到广泛应用： 通过在弹性体聚合物中合理设计腔室，气动驱动能够以可控方式 使软体结构发生形变。首个实例见于（33），该研究展示了一种 完全由软材料（弹性体聚合物）构成的气动驱动机器人，具备四 足运动能力。该机器人展现了软体机器人的一些优势，例如可变 形性有助于通过狭小开口。这项工作还提出了软体机器人的制造 技术，这类技术需要非传统的手段。大多数软材料无法主动成型—— 即不能进行机械加工、雕刻、研磨或锻造；相反，它们必须采用 模压成型（如文献（33）所述）或挤出成型的方式进行加工。

能够处理硬质和软材料混合的多材料三维（3D）打印机正使 软体机器人更易于制造，尽管软体机器人表面的后期处理尚 无法达到加工表面的精度，且可打印材料的机械性能仍然有 限（例如在断裂伸长率方面）。

OCTOPUS机器人启发的驱动、感知、建模与控制挑战

受普通章鱼（34）启发的研究在开发软体组件和集成软体机 器人系统方面面临诸多挑战。章鱼具有完全无骨骼的身体， 能够进行拉伸和变硬，并具备足够的力量实现抓取、操作、 运动和游泳，因此为软材料的驱动与控制新原理提供了理想 模型，例如仿照章鱼肌肉液压结构（37）布置的电活性聚合 物肌肉（35）和形状记忆合金弹簧（36）。集成式八臂 OCTOPUS机器人（17）的研发开启了软体机器人领域的多个 研究方向，并在当前广泛研究的领域中取得了首批成果，包 括这些连续体结构的建模与控制（38, 39）及其流体动力学 （40）、形态计算的应用（41）、可拉伸敏感皮肤的制造 （42）、水中吸盘粘附机制的理解与实现（43, 44），以及运 动（45）和游泳（46）原理的提炼。由于传统多连杆机器人 运动学和动力学建模技术不再适用，软体机器人的建模与控 制研究采用了连续体机器人建模技术（47, 48）。文献（38） 中的建模工作基于几何精确的科瑟拉特方法，而文献（39） 则采用模型应用雅可比方法进行位置控制。软体机器人传感 化也需要非常规方法，在不引入刚性组件的前提下检测软体 机器人的变形，例如柔性电子器件和可拉伸电子器件及传感 器，这类研究自2004年以来已持续开展（49）。在软体机器 人柔性传感器的早期工作中，一项代表性成果是开发了一种 基于发光二极管（LED）元件和光电二极管的非接触式偏转 传感器，该传感器将LED和光电二极管分别置于两个连接基 板上。由于LED发出的光具有钟形的角度光强分布，通过光 电二极管检测到的LED光强度可以提取出两个平面之间的偏 转角，其可测偏转范围为105°至180°，分辨率接近1°。该传感 器可用于检测软体机器人本体的变形（50）。用于可拉伸电 路的柔性电子器件是构建“折纸”机器人（51）的关键，此 类机器人执行器由退火处理的SMA执行器和加热器组成，具 备改变形状的能力，即可从二维形态自行折叠成三维形状。

充气机器人

一种相当有趣的方法是使用纺织材料来制造充气机器人。继 80年代在（18）中报道的开创性工作之后，文献（52）提出 了一种机械手，其设计基于高强度织物和可充气的密闭腔室。
驱动通过肌腱和滑轮实现。

软体机器人学的进化方法

The soft approac h to building ro bots soon en l 将设计参数的空间扩展到了人类设计师难以管理的程度。
它们包括形态学参数、多种机械性能以及环境规格和参数
与环境交互相关的参数。有趣 应对这一挑战的方法是使用进化 用于探索如此巨大设计参数空间的算法以及 软体机器人自动设计方法的发育（53）。
使用遗传算法模拟进化，以及进化机器人 机器人学已取得重要成果，推动了其应用发展 这种设计和构建新机器人的方法。同一机器人个体内的形 态变化仍在研究中。
近期在模拟机器人中的研究成果表明，通过扩大/缩小其身体单元来实现进化，
软材料有助于机器人形态根据刺激发生变化， 同时考虑到形态计算（54）。
的机器人形态响应刺激而变化。

软体机器人的首次应用

尽管使能技术不断进步，软体机器人方法已被用于构建不同 应用场景中的集成系统。例如，在生物医学领域，外科器械 是软体机器人技术的理想应用（55），而软体机器人技术也 正在康复（56）和辅助（57–59）中得到应用。软体机器人 的其他有趣应用领域包括探索与救援（60, 61），这些领域与 非结构化环境密切相关。

软体机器人敢为人先：软体机器人已获得的能力

从上一节所述的开创性工作出发，软体机器人领域已取得了 重要成果，我们在此从机器人能力的角度进行分析。软体机 器人所获得的这些能力不仅仅是执行传统机器人功能（如抓 取或运动）的不同方式；而是实现了挤压、拉伸、攀爬和生 长等动作的能力，而这些能力若仅依赖基于刚性连杆的机器 人设计方法是无法实现的。在我们的定义中，一种能力并不 局限于某个具体应用，相反，这种能力的应用最终可能体现 在多个不同领域。软物质技术与形态计算及具身智能范式的 结合，显著提升了软体机器人的能力，使其在真实环境中的 表现优于更为传统的“同类”机器人。表1总结了利用软材料 和可变形结构所获得的机器人能力，列出了下文所述机器人 及相关参考文献，并回顾了所采用的关键原理和技术。

跳跃

在文献(62)中提出的燃烧驱动机器人实现了有趣的跳跃能力（最高 可达六倍身体高度），其身体基于通过多材料3D打印获得的刚度梯 度（图2A）。通过利用爆炸性化学反应，Pneu‐Net的驱动在速度 和功率方面得到了显著提升（63），从而促进了软体机器人跳跃能 力的实现。

GoQBot 是一种受某些种类毛虫启发的软体机器人，这些毛虫 能够通过滚动运动实现跳跃逃生机制，这是自然界中最快的自驱动 轮式运动行为之一（图2B）(64)。受此行为启发，GoQBot 可达到  1g 的加速度和超过 200 转/分的角速度。这种适应并执行不同行为的 能力也使 GoQBot 成为一种变形态机器人的范例。

蠕动运动

对动物如何通过蠕动运动进行移动的研究表明，对柔性连续 结构施加正弦变形是实现该运动的最合适方式。通过利用由 细柔韧线材构成的套管和管状网（如麦基宾驱动器中所使用 的），已实现了连续波蠕动运动。这种结构是产生类似蠕动 运动的关键要素，因为它能够将径向变形转化为轴向变形。
因此，直径的减小被转化为伸长。通过在结构上布置多个驱 动单元并按正确顺序激活它们，可以产生连续的变形波。迄 今为止，该机制已在Meshworm机器人中使用形状记忆合金 （65）以及在Softworm机器人中使用电机驱动肌腱（图2C） （66）得以实现。

攀爬

一种结合了仿生方法和软物质技术的方法推动了能够攀爬墙 壁和垂直表面的机器人的研发。Stickybot（图2D）(67) 就 是一个壁虎仿生机器人，借鉴了其生物原型的一些关键特性。
该动物依靠干性粘附实现攀爬的能力源于多种功能的结合： 通过分层结构的层板、刚毛柄和铲状末端与粗糙及光滑表面 紧密贴合而产生的范德华力；粘附结构的方向性和可控性； 高频率的粘附‐脱离循环（每秒步数）；以及借助末端铲状结 构尺寸小于污垢颗粒尺寸所带来的自清洁能力(68)。
Stickybot采用了从生物原型转化而来的多种设计原则，例如 分层结构、定向粘附，

通过燃烧跳跃的3D打印刚度梯度机器人（62）。(B) GoQBot变形为Q形并跳跃（64）。(C) 软体蠕动机器人（66）。(D) Stickybot利用其柔软脚部分层微结构在玻璃表面攀爬（67）)

可挤压性：通过狭窄缝隙的运动与韧性

四足运动已在一种软体四足机器人中实现，该机器人通过为每个 肢体设置气动通道网络，并另设一个专用于机器人脊柱的通道， 从而独立控制每条腿（33）。利用软光刻技术制造的完全柔软的 机器人表现出穿过狭窄缝隙的能力（图3A）。在更大尺度上，这 种方法被应用于由0.65米长硅胶弹性体制成的软体机器人，该机 器人天生能够抵御各种恶劣环境条件，包括雪、水坑、直接（尽 管有限）接触火焰以及被汽车碾压所产生的压碎力（图3B）（ 61）。

受蟑螂启发的机器人也表现出通过挤压以适应狭小开口的能 力（69）。它们的分节外骨骼既能实现快速的附肢驱动运动，又 保留了软体结构的变形容能力。与动物类似，该机器人通过将身 体压缩一半（54%；从75毫米压缩至35毫米），成功地在垂直受 限空间中进行运动。机器人的外壳依靠重叠的腹部板可承受高达 其体重20倍的压缩力（1千克重物），并能够消散冲击和碰撞， 展示了使用软材料构建的机器人所具备的能力（图3C）。

伸长与缩短

柔软性、可拉伸性和贴合性是使头足类动物（如章鱼）成为软体 机器人领域卓越模型的一些特性。章鱼臂是机器人手臂的理想模 型，能够向任意方向弯曲、伸长和缩短。OCTOPUS机器人通过 在编织锥形护套中采用轴向和横向排列的形状记忆合金弹簧，实 现了这些能力，其设计灵感来源于软体动物肌肉静力系统中的肌 肉排列（37）。OCTOPUS机器人手臂可将其直径减少25%，从 而实现41.3%的伸长（70）。

水下有足运动

Although legged l运动 has b 在机器人领域，运动已被广泛研究，作为应对崎岖地形的一 种合适方式。然而，水下有足运动（可实现对底栖带的探索）仍 然是一个有待解决的挑战。受章鱼启发，基于腿部适当顺应性的 水下有足运动模型已被开发出来。具备硅胶基腿部的 OCTOPUS机器人和PoseiDRONE软体机器人表现出自适应行走 行为（45, 71）。

脉冲喷射游泳

头足类动物还启发了脉冲喷射游泳，这种游泳方式利用了其 软体的可变形性。通过漏斗排出的水产生推进力，而身体和 漏斗的尺寸以及排水收缩频率可以优化该推进力。结合软体 形变模型与脉冲喷射推进流体动学模型，成功设计出了具备 脉冲喷射游泳能力的PoseiDRONE软体机器人中的优化推进 身体（图3D）（72）。

可拉伸性

软体动物的柔软性、可拉伸性和贴合性最近推动了一种超弹 性发光电容器（HLEC）的研发，该器件能够在薄橡胶片中实 现发光和触觉感应，并可拉伸至>480%应变（73）。这些 HLEC由夹着掺杂硫化锌荧光粉的介电弹性体层的透明水凝胶 电极层组成，形成在变形下照度和电容发生变化的薄橡胶片 （图4A）。这些橡胶片被集成到由三个加压腔室构成的软体 机器人蠕虫的表皮中，使其具备高度可拉伸的可变形性、动 态变色能力以及对外部和内部刺激的感官反馈。

生长

最近，植物也被视为仿生和软体机器人学中的模型。这些生 物通过不断添加新材料实现终身生长的能力，已被应用于新 一代受根部启发的机器人（即植物机器人）中（图4B），这 些机器人能够在机器人根部的尖端区域通过类似于熔融沉积 成型的增材制造技术实现逐层沉积而生长（图4C）(74)。

组合弯曲和刚性化

The d设计 o f soft 操控 lators 可以 o f 推动医疗领域（如微创手术）突破现有局限的革命性方 法。刚性器械能够施加显著的力，但通常缺乏灵活性：在控 制这些器械时经常发生冲突。一种克服这些限制的解决方案 是基于软致动器[柔性流体致动器（FFAs）],，它们不仅具 备高灵活性，还具有与组织和器官安全交互的内在能力。同 时，手术操作器还必须能够调节自身刚度，以便在需要时产 生相对较大的力。近年来，用于使软体变硬的技术取得了巨 大进展，如文献(32)所述。一般来说，有两种可行的方法：一 种是使用软致动器的拮抗排列（即同时激活产生等长应力而 无净变形），另一种是使用具有可变刚度能力的半主动致动 器。STIFF‐FLOP (75) 操作器便是满足所有这些要求的一个 实例 (76)。关键在于能够在操控物体的同时控制身体特定部 位的刚度，并在与物体交互时保持固有的顺应性。该操作器 采用模块化结构：由三个相同的模块组成，每个模块包含三 个用作FFA的腔室以及一个中央通道，该通道容纳颗粒阻塞 系统，用于在所需位置使臂部变硬。通过激活相应的致动器 组合，STIFF‐FLOP 操作器即可实现全向弯曲、伸长以及可 调刚度增强（图5）(77)。

自部署和折叠

如前在所前述面 d的章节中，提出了一些受古老的日本折纸技术启 发的软体自展开结构。许多基于折纸结构的不同设备已被证 明能够通过外部刺激（主要是热应用）从基本构建单元

构建模块（图6A）(78) 到完整机器人（图6B）(79) 改变其形状为另 一种预定形式。最近的一篇关于软体折纸的综述论文见于(80)。

自适应抓取

The comp liance o f 软体机器人和设备也因其高度的适应能力而得到广泛应 用。尽管在机器人学领域抓取技术已被广泛研究，并且在制 造、假肢及许多其他领域已存在有效的抓手（81），但在需 要完成抓取任务时，软材料可作为一种极佳的界面。如果机 器人的整个身体由软材料制成，则固有的安全性也能得到增 强。这一概念已被用于开发基于不同技术的多种软抓手。我 们重点介绍两个体现不同方法的案例。第一个是 RBO  Hand 2，它从五指结构出发，利用软材料来利用环境中存在 的约束以实现稳健的抓取（82）。RBO Hand 2 采用  PneuFlex（硅胶气动执行器）制造。由于其可变形性，该手 能够利用环境中的约束，例如被抓取物体的支撑面，从而可 靠地抓取不同形状的物体（83）。第二个例子采用了完全不 同的形态，即球状结构，并利用颗粒阻塞机制（如前一节所 述）构建了一种通用抓手，该抓手可通过自适应调整自身形 状贴合物体，然后改变其刚度以牢固夹持物体（84）。腱驱 动方法在实现自适应抓取方面非常有效，即使使用刚性连杆 也是如此（85）。软结构的结合提供了进一步的能力，并允 许构建可穿戴设备。已有研究提出一种基于 Exo‐Glove 可穿 戴手套的腱驱动方法，该方法利用缆绳驱动无关节的硅胶结 构，以恢复手部功能受损者的手部运动能力（58）。另一个 在辅助与康复领域的有趣案例基于柔性流体驱动的不同技术 原理（56）。它由一种完全柔软的手套构成，其中弹性弯曲 执行器与手指对齐，激活时可辅助抓取。

超弹性可拉伸皮肤在发光方面的实例图像（73）。(B) 显示具有弯曲和生长能力的机器人根部的植物型机器人图像。(C) 受植物根部启发的机器人生长步骤)

变形

近期的软体机器人研究还探索了形态学变化。已证实使用热 塑性材料能够实现硬件修改（变形）的可能性（86）。这类 材料从固态到液态转变的独特特性可以被加以利用

真正地拆卸机器人身体部件并将其重 新安装到其他位置，从而实现完全重 新配置和/或扩展机器人身体。目前， 这已通过使用高熔点合金（热熔胶） 来可逆连接/断开机器人上的构建模块 得以实现，但在（87）中也设想了利 用该材料的机械性能优势与形状变化 能力相结合，用此类材料构建整个机 器人身体的可能性。

自修复

热可逆性也是基于软材料的机器人 最新可能性——自修复的基础。自修 复已被用作受损执行器的恢复机制 （88, 89），但理论上可以扩展到所 有机器人身体部件。这一概念基于 狄尔斯‐阿尔德（DA）聚合物的分子 移动性，这些聚合物在室温下倾向 于形成弹性网络，但会表现出 当温度超过90°C时，会变成粘性凝胶。当被尖锐物体刺穿 （因此不涉及材料的移除）时，该聚合物表现出修复宏观损 伤的能力（通过相当长时间的热处理），并完全恢复其先前 的机械性能。

生物降解性

Soft  materia ls of 十意味着使用聚合物。然而，基于这些材料的机器人或设备 的开发很少考虑对环境的影响。不过，人们对这一主题的兴趣日 益增加，促使一些研究人员致力于可生物降解甚至可食用材料的 研究（90）。将这些材料应用于软致动器时，表现出良好的机械 性能，并代表了向环境友好型机器人技术迈出的一步。

我们结论已经看到，在机器人学中使用软材料和可变刚度技术代表了 一种新兴方式，用于构建具有新能力的新型机器人系统，这些系 统有望更有效地与自然的非结构化环境以及人类进行交互。
软体机器人拉伸、挤压和变形的能力为机器人应用开辟了新的场景。
从不同角度来看，软体机器人技术的影响将十分巨大。机器 人学将发生巨大变革，一种性能更优、适应性更强的全新一代机 器正在被开发出来，能够在现实世界中更好地完成多种任务（6）。
软体机器人内在的多学科性质促进了新颖且非传统的科学方法的 发展，因为大多数已知的机器人学技术并不适用。一个例子是软 体机器人与形态计算之间的耦合（21），这代表了一种全新的机 器人设计方法。在从工程学到材料科学、生物学、数学和建模、 医学以及许多其他学科组成的充满活力、积极参与并勇于探索的 研究群体的支持下，软体机器人在推动科学和科技进步方面具有 巨大潜力。近年来在重要领域取得的成就

使能技术及其理论框架正在推动这 一进展。当前的软体机器人文献数 量已接近1000篇出版物，自2004年 接近零的数量以来稳步增长（图7）。

尽管对于机器人而言，柔软性 在能力方面具有诸多优势，但正如 本文所述，完全柔软也存在重要缺 点。观察生物体可以发现，柔软的 动物往往体型较小，而较大的动物 通常需要骨骼来支撑自身体重（9）。 没有骨骼的大型软体动物存在于水 中（例如鱿鱼和水母）或地下（例 如巨型蚯蚓），其身体由周围介质 提供支撑。这一生物学证据提示软 体机器人领域可采用类似方法，即 将刚性结构与

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遵循新设计规则的软物质技术，实现集成方法。这还将增强软体 机器人对环境施加作用力的能力，从而可能拓展其应用范围。
实现自主软体机器人面临的挑战显然需要整合不同的材 料和功能，例如驱动、供电和逻辑。为了实现包括刚性与柔 性结构在内的所需集成，结合先进的制造技术代表了下一代 软体机器人的有前景的解决方案。其中，这些技术包括微模 塑（91）、软光刻（92）和多材料嵌入式3D打印（93）。
还需要更深入地理解软材料特性以及它们如何与控制系 统和环境相互作用，以便在真实环境中产生期望的机器人行 为（94）。在软体机器人学的诸多开放性挑战中，目前仍缺 乏一个完整的设计形态计算的理论框架，但已经定义了一些 方法来衡量软体在信息处理中的作用。这些方法在这方面是 重要的贡献。文献（41）中提出的方法通过基于香农熵的信 息论方法，对软体的时空动力学进行了定量表征。
用于软体机器人建模（95）的仿真与控制（96）的方法 和技术正逐步出现，它们构成了推动软体机器人进一步发展 的关键知识和技术基础。基于学习的控制方法能够有效应对 软体所带来的复杂的非线性行为挑战，其中控制器可通过运 动牙牙学语（6）来学习机器人的身体体现。
尽管该领域已取得诸多成就，但软体机器人技术仍可借 鉴生物系统在生命周期中通过生长甚至修复受损身体部位来 实现形态变化以及身体与功能适应的能力，从而进一步提升。
软体机器人未来面临的科学挑战在于进一步开发诸如改变形 状、变硬、生长、自愈、发育和进化等类生命能力。我们设 想机器人不仅能够适应其行为，还能适应其形态，并拥有实 现任务适配形态的技术与方法。超越软体机器人范畴，其体 件可根据物理或任务约束改变形状；超越机器人控制范畴， 其行为将依据软体身体而发育；超越仿生机器人范畴，其形 态可根据目标环境进行设计。