软体机器人是什么？软体机器人有什么不一样

12 月 10 日，《麻省理工科技评论》全球青年科技领袖峰会在鲁迅故里 —— 浙江绍兴举行，“35 岁以下科技创新 35 人” (Innovators Under 35)2020 年中国区榜单在峰会上正式发布，清华大学机械工程系助理教授、特别研究员赵慧婵入选。

她的获奖理由是，针对软体机器人的大形变传感难题，提出了基于光信号的传感方案，为软体智能假肢嵌入多模态传感功能，实现了智能手对人手触觉功能的仿生。相关研究论文以《基于高度可拉伸光导传感器的软体智能假肢》为题，发表于 Science Robotics 创刊号，并成为该创刊号收录的四篇研究型文章之一。

开展软体机器人研究，突破现有机器人研究范式

赵慧婵表示，其于 2017 年在康奈尔大学获得博士学位，随后在哈佛大学工程与应用科学学院开展博士后研究。2018 年，她回到母校清华大学担任助理教授，随后一手搭建新型机器人实验室，并组建了一支由 9 名硕博生和 1 名博士后组成的研究队伍。

谈及研究初衷，她表示，机器人技术发展至今已有 70 年之久，科幻电影和小说中的很多技术，并没有照进现实。机器人领域依旧面临很多问题，例如如何解决它与人交互时的安全性，如何提升复杂环境中的适应性，其中一个更现实的问题是如何降低成本。

而赵慧婵所研究的软体机器人技术，正是面向这些问题试图通过新方法，去突破现有机器人的研究范式，进而拓展机器人的应用领域。

她设计的高能量密度软体驱动器，实现了全球第一款由柔软 “人工肌肉” 提供动力以完成受控飞行的微型机器人。此外，她还设计了手部软体外骨骼，集安全性、舒适度、低成本、高精度为一体，可精确跟踪人体肌电信号，并将旋转铸塑法引入软体机器人领域，实现了软体驱动器的一体化制造。

提出并设计一种基于光信号的高度可拉伸光波导传感器

博士期间，赵慧婵师从康奈尔大学青年科学家 Robert Shepherd 教授，从事软体机器人驱动、传感和控制技术的研究，期望将软体机器人应用于医疗康复领域。

但是，传统传感器无法应对软体驱动器的大形变，如何获得高精度、可拉伸、性能稳定、可重复性高的传感器，成为领域内一大难题。

针对该问题，赵慧婵提出并设计了一种基于光信号的高度可拉伸光波导传感器，不同于传统的基于电信号的传感器，该传感器所使用的材料正是软体机器人领域最常见、最简便的橡胶材料，因此可以被共融嵌入到软体仿生手中，这只仿生手不仅实现了对自身位置和形变的定量感知，还实现了对外界物体软硬、纹理、粗糙度的精确感知。

在这项研究中，赵慧婵与合作者自主研发了高度可拉伸的光波导材料，把它用作传感器。与传统传感器不同，这款传感器可以拉伸、弯曲甚至可以像绳子一样打结，这样的话就可共融到柔性结构里，将 15 根这样的光波导材料嵌入到柔性机械手中，就能赋予它类人的强大感知功能，不仅可以被动地感受到外界的接触力，也可以主动触摸物体，感受物体纹理、粗糙度、表面形状、硬度等信息。

赵慧婵还结合软体驱动器的规模化制造技术，制造出集传感、精确控制于一体的手部外骨骼，并与德国马格德堡大学莱布尼茨神经生物研究所合作，将这款首部外骨骼用于残疾人的运动神经康复。这种集成感知驱动化一体化的柔性智能假肢本体，成本不过 300 元人民币。

开发“人工肌肉”柔性驱动器

在第二项研究中，赵慧婵开发了名为人工肌肉的柔性驱动器，原理是利用静电力挤压弹性橡胶、并产生形变后从而对外做功，尺寸灵活性非常大，将 200 毫克的人工肌肉用来驱动一个扑翼扇动，就可实现一个小型扑翼仿生机器人的起飞、悬停与可控飞行。

博后期间，赵慧婵师从哈佛大学 Robert Wood 教授和美国工程院院士 David Clarke 教授，期间她进行了柔性人工肌肉介电弹性体驱动器的研究。她所在团队与 FaceBook Inc. 虚拟现实实验室合作，将所设计的驱动器制成触觉传感设备，并用于提升人与人之间的交互体验。

在和 FaceBook 的合作中，他们开发出性能指标接近生物肌肉的高能量密度柔性人工肌肉，首次实现了利用柔性人工肌肉驱动的小于 1 克微型扑翼飞行器的起飞、悬停和可控飞行。这种微型飞行器可以感受飞行中的碰撞，并能在碰撞发生后恢复飞行，即在复杂环境下拥有较高运行稳定性。

此外，这项研究当中，他们发现柔性人工肌肉不仅能实现非常高功率的输出，同时可以在机器人做一些极限运动如碰撞、坠落、碰壁时，保证系统的稳定性，而这正是软材料带给机器人的高鲁棒性。

除日常研发机器人之外，在疫情爆发初期，赵慧婵也曾临危受命，参与新冠相关项目的紧急研发。

大年初三临危受命，为疫情开展紧急科研

农历 2020 年大年初二那天，赵慧婵接到了一个特殊的任务，清华机械系打算为武汉研制一个用于咽拭子采样的机器人，因为她具有柔性机械手的研究背景，遂与学生参与该紧急项目的攻关，并负责研发柔性末端执行器和控制系统。大年初三，赵慧婵全家包括六个月大的女儿，开车从山东赶回北京，开始了这次始于春节的科研。

最终，赵慧婵与团队顺利完成机器人自动化采样任务，并与清华大学程京院士领衔的博奥生物集团和清华大学长庚医院，联合研制出一款咽拭子采样机器人系统，其核心关键部组件是一个软体末端执行器，目前已经完成了 20 例人体采样试验。

现在，赵慧婵正与博奥生物集团有限公司合作，进一步推进咽拭子采样机器人的量产与落地，助力抗击疫情。

此外，赵慧婵还参与了清华机械系刘辛军教授带领的体温筛查机器人的研制，她根据 “把病原体挡在外面” 的设计理念，建议根据民间门神的名字为测温机器人起名，经大家协商后命名为荼与(SHU YU)，小名阿荼(A SHU)。

在她看来，其所研究的领域是利用智能材料、光学、电磁场、力学多学科交叉的背景，来解决机器人领域的相关问题和挑战。

她希望面向传统机器人领域难以解决的问题，另辟蹊径地设计机器人触觉设备、安全交互的人工皮肤、具有容错性和变刚度特性的末端执行器，虽然看起来“ 很不机器人”，但在实际应用中缺发挥了重要作用，并能互补传统机器人技术中的很多不足。

回顾过往，从高度可拉伸传感器，到柔性人工肌肉，再到柔性变刚度末端执行器，赵慧婵一直致力于机器人创新型基础零部件技术研发，并努力将这些研究成果应用于各个领域，如医疗康复、人机交互、传染病检测与防控、考古等。

不过该领域目前还缺少完整产业链，谈及未来 10 年的目标，她希望能与领域同行一起，将这些技术的产业链建立完善，将这一领域的技术在机器人领域推广，助力机器人真正走向千家万户。

关键词： 软体机器人