轉載從: Tech News 科技新報
7 公分長、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！就是那個陸地上奔跑速度最快的動物。
（註：基於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」）
軟體機器人長這樣
▲ 以一張「小獵豹」的妖嬈擺動 GIF 開場。
由於軟材料本身的局限性，難以快速儲存或釋放大量力學能，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，就在於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，研究人員將基於雙穩態脊柱的混合軟執行器，用於軟體機器人的設計中，透過可逆的貫通雙穩態實現類似的脊柱屈曲和伸展。
因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手。
研究論文發表於《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 公分長，重達45 克，主要由兩部分組成：彈簧驅動的雙穩態結構（做為骨骼脊柱）、兩個軟性氣動彎曲執行器（做為骨骼肌）。
想像一下獵豹奔跑時的體態，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，小獵豹也是這麼跑起來的，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執行器，在兩個穩定狀態之間展現快速、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力學能，由此研究人員在設計小獵豹時加入了線性彈簧，連接小獵豹的骨骼脊柱，透過彈簧預緊力或調整彈簧的剛度，達到能量儲存。
在小獵豹的結構設計中，彈簧發揮了放大器的作用，不僅提高了速度和作用力，還提升彈性的調節空間。
這樣的設計，研究人員稱其為「雙穩態混合軟執行器設計」。
▲ II 和 III 為穩定狀態。
從表現來看，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，其軟性氣動彎曲執行器和彈簧處的能量會處於低點，這便是「雙穩態」。
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，透過空氣幫浦交替彈開，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，那麼這個模仿獵豹的 7 公分迷你小獵豹機器人，在實際運動中的表現如何？
機器雖迷你，但不得小覷
研究指出，小獵豹機器人在 3Hz 左右的低驅動頻率下，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。
但小獵豹是軟體機器人，與獵豹不是同一類型，因此將兩者進行對比無實質意義，正確的對比對象應為其他軟體機器人。
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，甚至在物品抓取方面，也是出類拔萃的。
▲ 表現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於在傾斜角為 17 度的坡面。結果顯示，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執行器重新封裝，以適用於水下運動。改良後的小獵豹長度約 150mm，重量為 51g，其中彎曲執行器的長度為 45mm。
實驗結果顯示，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 公斤的重物也不在話下。至於能夠抓取多重的物體，主要還是取決於彈簧，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，在物品抓取時要夠輕，其抓手在柔軟之餘還要具備抓力。另外，在移動的時候，彈簧要始終保持在不活動狀態。
正所謂，拿也輕輕，放也輕輕。
軟體機器人任重道遠
對比剛性機器人，軟體機器人的發展較為滯後。
對比已經在巡邏、配送、教育等場景中走向應用的剛性機器人，軟體機器人目前尚處於產出學術成果的階段。
香港科技大學機器人研究院院長王煜曾在世界機器人大會上表示，軟體機器人發展面臨著三大關鍵問題──機械運動原理、剛性結構、驅動和反饋。同時，他補充，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驗能夠融合在一起，使得軟體機器人在理論上有所發展；模仿獵豹的軟體機器人便是理論研究發展之一。
儘管只是一個小小的進步，但任何質變的產生，不都是量變的結果嗎？
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