近日，24 歲的蒙古族男生楊畢力格研發出“世界上最靈活的單腔軟體機器手指”，在隻有一個主腔的軟體手指中，機器手指可彎曲到 36 個不同方向。

這款機器手不僅能抓魔方。

（來源：Science Advances）

還可以擰瓶蓋。

（來源：Science Advances）

面向各個方向都能彎曲自如。

（來源：Science Advances）

10 月 1 日，相關論文以《可編程軟驅動和變形》（Reprogrammable soft actuation and shape-shifting via tensile jamming）為題發表在 Science Advances 上。

圖 | 相關論文（來源：Science Advances）

楊畢力格表示，單腔流體壓力驅動的軟體機器人手指，大多隻有一個固定運行軌迹，即向内彎曲抓取。這一運行軌迹由材料結構和模量确定，所以在使用過程中，機器人手指無法彎向更多方向。

圖 | 楊畢力格（來源：受訪者）

其中，一種解決方法是多腔體結合，讓不同腔體引發不同形變，借此讓手指彎向多個方向。但是這種方式會極大增加手指半徑，讓小型化應用比如用作微創手術的末端執行器變得非常困難。

使用此次由纖維材料制備的軟體機器手指，盡管仍然隻有一個主腔來供應流體壓力，但是周圍四壁可以改變剛度。這樣在使用過程中，手指就具備向各個方向彎曲的能力。

（來源：Science Advances）

說到研究出發點，楊畢力格表示，自然生物可通過調整身體結構、剛度、以及行為來适應環境變化。比如，章魚觸手和毛蟲都能通過調整身體内部的流體壓力，來完成捕食和逃脫等不同任務。

目前，多數軟體機器人利用流體壓力引發的體積擴張，來進行形變和完成抓取或爬動等行為。但是，由于這種形變受制于整個身體結構以及不同材料的楊氏模量，機器人身體應變和總體形變的方向，在它自身完成制備之後便被固定下來。

在不斷變化的任務環境中，一成不變的運動軌迹和身體形式，導緻機器人的可适應性受到限制。這時，最簡單的解決方法是采取多内腔結構設計，從而在不同内腔進行壓力傳導時，可以控制機器人最終的形變方向。

但是，這種設計極大增加了機器人的體積。另外一種方式是通過在軟體内壁裡嵌入可變模量材料，通過楊氏模量的變化，來改變最終的運動軌迹。

（來源：受訪者）

目前最先進的可變模量材料中，熱激活材料的反應時間往往太長，真空阻塞材料則會給軟體材料增加不必要的剛性，靜電離合器則因采用了高壓帶從而會來安全隐患，因此它們都無法有效用于軟體機器人。

對于下一代機器人的設計來說，讓機器人主動調整自己剛度，從而模拟生物體在運動和形狀變化方面的控制和流動性是至關重要的。為了這一目的，不同于以往使用的材料特性不可變的的應變限制器，楊畢力格引入了材料特性可變的、且拉伸可控的應變限制器。

一直以來，真空引發的阻塞在物理界被廣泛研究。近幾年，才慢慢應用在軟體機器人領域。最開始是把咖啡渣放在氣囊裡，抽真空之後剛度迅速提升，這樣即可用來做軟體抓手。有的實驗室把紙張疊加，抽真空之後，讓彎曲剛度迅速提升，借此演示了一些新型變形家具。

在原來這些阻塞技術中，都沒能有效單獨控制拉伸剛度。要麼無法控制拉伸剛度，要麼影響了其他幾個方向的剛度。但是，拉伸剛度以及表面局部應變的控制，才是決定延展性軟體機器人形變的根本因素。可惜的是，目前的阻塞技術隻能改變材料的壓縮剛性和彎曲剛性，沒有能單獨改變拉伸剛性的有效技術。

而楊畢力格研發的纖維材料包含兩種節段：矽膠彈性節段和聚酯纖維非彈性節段。在非阻塞階段，矽膠彈性節段能幫助纖維材料保持 200% 的彈性。

開啟真空之後，纖維間的距離會被壓縮，相互作用會變得更顯著，這些非彈性的聚酯纖維連成網絡，即可提高整個材料的拉伸剛性，甚至可達到原來的20倍。

（來源：受訪者）

附在延展的軟體機器人上，這種材料能在局部控制表層應變，實從而現可編輯的精準形變。對于在非結構化的環境中作業的機器人，這種材料可讓機器人更好地應對突發任務，并能通過及時改變身體結構來應對挑戰。

他告訴 DeepTech，在軟體機器人及其抓手上，真空引發的阻塞效應有着廣泛應用。比如，通過模量的變化可以實現軟硬形态的改變。

（來源：Science Advances）

該材料的抗疲勞性，在壓縮狀态下反複伸展 1000 次後，仍能保持 70％ 的拉力。在反複開啟真空壓縮 100 次之後，材料仍和初始狀态保持一緻。加上真空的快速作用，隻需要不到十分之一秒，材料就能在已拉伸狀态下實現拉伸剛性的變化。

在把此次纖維材料附在圓柱形的軟機器手指四周後，通過不同的剛性組合，機器手指可靈活地彎向各個角度。在實際實驗中，可實現 36 個不同方向的可控彎曲。

（來源：Science Advances）

在軟體機器人技術領域，拉伸阻塞技術擁有很大潛力，它能在不增加較大體積或不引起高彎曲剛度的同時，給單室、體積膨脹的軟執行器的工作空間帶來極大改善。

楊畢力格表示，這也是目前“世界上最靈活的單腔軟體機器手指”。通過數學分析和物理模拟，即可準确預測手指彎曲的方向。由于軟體手指是模塊化的，因此他組裝出一個多模式抓手。

抓手可向内彎曲去拾取小型物體，也可向外彎曲來鈎取大型框架類物體，還可在手内旋轉來打開瓶蓋和擰緊燈泡。

通過将執行器串聯起來，楊畢力格組裝出一個多模式靈活機器臂，他還把纖維材料附着在一個餅型的可延展薄膜上，這時可通過表面不同的模量變化，讓薄膜在伸展之後達到三種不同的高斯弧度，從而給未來創造可變物理顯示器提供了一條有效路徑。

（來源：Science Advances）

此次的徑向約束單腔執行器，使用的是很小的拉伸纖維，這是一種一維原件，比當前的多腔緻動器更細長，并且能避免在彎曲時所需的大徑向膨脹。在平面二維情況下，通過改變不同方向的拉伸剛度，再加上潛在的膨脹，就能控制其高斯曲率。

研究中，楊畢力格首次展示了在同一系統内三種高斯曲率之間的主動轉變。據悉，拉伸幹擾纖維能在保持低彎曲剛度的同時，增加自己的拉伸剛度，從而讓薄表面的彎曲能和拉伸之間重新分配，這也有助于顯著的形狀變化。

理論上，隻要有了足夠數量的幹擾纖維，一個膨脹的二維薄片就可以生長成為任何目标表面中，并在這些形狀之間變化。

關于應用，楊畢力格告訴 DeepTech，在進一步小型化之後，這種材料有望用于微創手術的末端執行器上。執行器一般需要進行且多方向的靈活彎曲，而這款材料可以很好地勝任。

由于具有快速響應以及促進執行器動态中期充氣的能力，相比促進激活應變限制組件，這種多模态驅動器在應用中的響應更快，且比高壓激活離合器更安全。

在軌迹控制改進的同時，多模态驅動器卻不會增加體積，這尤其适用于緻動器的截面積需要最小化的應用，例如當用于内窺鏡微創手術時。

（來源：受訪者）

楊畢力格在論文中表示，該演示為下一代變形機器人鋪平了道路，可讓下一代機器人适應環境需求，并以形狀變化的方式進行動态僞裝。

除了應用于機器人領域，他預測幹擾纖維也将在外輔助康複中發揮用武之地，在外輔助康複技術中，患者隻要恢複一部分的活動能力，将相當于康複了。其他可能的用途，包括智能服裝，以及需要可預測的、快速的、局部強度剛度變化的應用場景。

在大型化後，這款材料還可用于軟體機械外骨骼，它能快速有效地提供阻力，可以在醫療領域用來輔助手術後病人的肌肉康複，也可以在倉儲運輸領域助力搬運工人的抓取和拿持。

該研究完成于 2020 年疫情期間，他等了四個月才等到去實驗室的機會，但是實驗室的容納人數遠少于疫情之前，進去也需要提前登記。為了每天有足夠的時間做實驗，他早上 ４ 點半起來先去實驗室，在别人都不在的時候用實驗儀器。

（來源：Science Advances）

楊畢力格來自内蒙古自治區，生于 1997 年。本科時，楊畢力格就讀于美國斯沃斯莫爾學院，這是賓夕法尼亞州費城郊區的一所小型文理學院，當時學的是通用工程，該專業比較靈活，可以選多個方向的課，這樣他有機會學習機械制造、電子電路設計、計算機編程、機器視覺和運動控制。

本科期間，他在加州大學聖地亞哥分校（USCD）的軟體機器人實驗室 Mike Tolley Lab 做過研究助理，從那時起接觸到軟體機器人。

（來源：Science Advances）

本科畢業後，他來到耶魯并加入 Rebecca Kramer-Bottiglio 的實驗組讀直博。楊畢力格所在的耶魯軟體機器人實驗室主要做材料科學研究，特别是軟體聚合物科學，同時也會拓展新型材料比如液态金屬、形狀記憶合金在機器人領域的創新性應用。

該課題組主體鑽研的的交叉學科—軟體機器人領域，緻力于制造能夠媲美自然界生物的機動性以及可适應性的人造材料。該課題組既做材料方向的研究，也做機器人的研究。他自己想做的方向是利用材料方面的突破，來加速機器人在生活中的應用。

談及未來，他表示畢業之後幾年的計劃還沒有确定。但可能會先在目前科技行業内深耕，最終的目标是做一家為社會提高生産力，讓人們過上更幸福生活的機器人企業。

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