软体机器人在日本问世，设计灵感源于“毛虫世界”

地球上的生物种类繁多，其中有一成（约18万种）属于鳞翅目昆虫，其幼虫俗称毛虫。Takuya Umedachi将地球形容为“毛虫世界”，对他而言，毛虫的精简柔软管状虫体不具有清晰的骨骼结构，虽由极少数神经元控制，但却能适应不同的环境，是使用软质材料开发机器人运动的理想模型。时下，软体机器人是新兴的领域，由软质材料替代硬质材料制成，可以更安全地在人的附近操作。毛虫机器人正是软体机器人的一种。

Umedachi是机器人技术领域的领先研究者，主要研究软体机器人技术，此外在东京大学信息科学技术研究生院任项目讲师。像《攻壳机动队》这样探索人类身体、心灵和记忆之间关系的虚构作品，是Umedachi的灵感泉源。他对机器人与人类和其他生物的区分边界产生了兴趣，开始致力于建造仿生物特性的机器人。

大多数工业机器人都设计成仿人手臂型，在与肩部、肘部、腕部相对应的接合处具有骨样连接。通常情况下，机械臂采用六个接合部（轴）来实现流体自由运动，几乎所有部件由硬质金属制成。

Umedachi持续对受变形虫和毛虫灵感启发的软体机器人进行研究，到了2010年，他建造了以一种名为粘菌疟原虫（粘液菌）的单细胞变形虫为模型的机器人。他说：“我是在开始从事这个领域的工作后才了解到这些是叫做软体机器人。”

他又说：“要想创造可以在软土或树枝上操作的所谓硬体机器人，这过程中所面临的问题会很多，例如重量限制、复杂的控制机制、高昂的开发成本等。我认为现在的趋势是在朝着建造出（灵感源于）生物中功能强大的结构和形状的机器人的方向发展。”

软体机器人用软质材料制成，其模仿自然界的机身灵活，可以设计成在多维范围内改变形状，并利用非线性力学。此外，软体机器人也有望超越类似于硬体机器人骨骼和关节的结构，提供与肌肉、肌腱、皮肤和头发相对应的功能。这些特性使软体机器人不仅适合非常安全地在人的附近操作，也适合在快速变化的环境中操作。

相较于硬体机器人，软体机器人需要采用不同方式进行设计、制造和控制。原本一直都在使用小气球和类似结构的Umedachi在美国旧金山内河码头9号码头的欧特克技术中心接触了3D打印等先进技术，并存有深刻印象，于是在不久后便改变了制造方式。

Umedachi说：“我不再需要设计齿轮和接合部，只需要设置我想创造的机体的硬度分布，就可以实现我想要的功能了。我认为，这些工具和我的软体机器人简直是绝配。”

Umedachi在美国马萨诸塞州塔夫茨大学做研究期间建造了一个受毛虫灵感启发的机器人，当时他用3D打印机打印出整个机器人机体，而不仅仅是个别部件。他说：“我们终于可以在3D打印中采用软质材料，这个机器人就是这样建造出来的。”

传统硬体机器人的机械系统比较死板，连接机体的每个部件都要求有特定功能，新增功能就必须新增部件。相反的，软体结构的机器人可以以极少数的单独部件，重新塑造不同的形状、因应外力影响而改变弹性特性，甚至是从内部将运动从机体的一个部位传递到另一个部位。

具有姿态和转向控制的3D打印软体机器人的设计

Umedachi用来制造他受毛虫灵感启发的机器人的3D打印机，可以同时输出软质弹性材料和硬质材料。将通电时收缩的形状记忆合金缠绕进弹簧，把两个弹簧置于机器人的前部、一个置于后部。通过在不同的时间段收缩这些弹簧，机器人可以前进、转左、转右或转身改道，运动范围非常广。

Umedachi说：“我们目前可运用的工具非常发达，采用3D设计让我的工作变得容易。我想欧特克Fusion 360用于打造有机曲线的造型功能非常适合我的工作。未来我想测试的是，在我的机器人中应用这些有机曲线对其物理特性会有何影响。”

此外，Umedachi也在对可以像生物一样适应环境变化的自律分散控制器进行研究。就拿猫来说，猫是用四只脚走路的，可以每只脚独立运行，也可以四只脚整体运行。这些脚通过身体各部位之间（经过神经系统和机械力传递）的通讯作用，产生整体运动的节律。Umedachi研究工作的前提是基于这些“自律分散控制器”。

为了对自己的理论进行测试，Umedachi想建造一个可以自由控制的软体机器人。他采用基于单细胞生物（即最基本的生命形式）的自律分散控制器进行设计。在Umedachi受毛虫启发设计的机器人中，执行弯曲操作的电机为独立思考型，可以结合各自的收缩节律产生运动。该机器人最后顺利地产生自己的蠕动运动。

据Umedachi所言，设计这种软体机器人的最大挑战之一就是确定不同力量对机体的影响。到底哪些领域需要加强才能提高运动速度？哪些部位可以沿着地面推动机体？收缩运动是如何在软体中传递的？

他说：“在软体中，任何部位都可以作为接合部。如此一来，便难以判断应将力量施加在何处。机器人技术是对力量的研究，但就像电力一样，力量是看不到的，运用力量也就变得困难。”

D07: 毛虫形：分散控制的毛虫形软体机器人

一旦设计出行动能力良好的机器人，唯一需要做的只是安装传感器。Umedachi说：“这些机器人可以在人类通常无法到达的地方工作。”

他又说：“例如，我们正在开展的项目之一，是为一家公司设计出可以沿着电线爬行的软体机器人。单个机器人的材料造价只是2000到3000日元（17到26美元），所以我们可以将机器人置于电线上执行维护任务。”

日本占领百分之56的全球工业机器人制造市场份额，在人工智能方面的近期进展包括创造有助于在工作场所和住家里从事范围不断扩大的工作的机器人。软体机器人技术尚属新兴的领域，很多方面还未与传统机器人技术的持续研究相协调。

Umedachi说：“我们人类本身就是硬质材料和软质材料组合而成。我有个预感，软体机器人最终会与硬体机器人合并成跟人体类似的形式。”