挑战

循环性和持久性

在传统的机器人技术中，机器人的持久性通常是由机器人所使用的材料本身的硬度或刚度决定的，并且是完全可预测的。但到目前为止，软体机器人在循环性方面通常不像刚性机器人表现得那样好。目前的软体机器人往往对摩擦和磨损很敏感。例如，经受相同的材料疲劳，橡胶机器人比刚性机器人所需要的循环要少很多，而充气机器人有被扎破的危险。尽管软体机器人的独特能力或者其能够降低制造复杂度的成本优势决定了相关项目的合理性，但几乎不可避免且更频繁地更换部件可能也会吓跑潜在客户。由于循环性和持久性完全取决于个性化的设计，而不是广泛共享的参数，因此证明其可靠性一直是一个难题。

软体仿真、预测设计和控制

传统机械工程很擅长计算刚性部件之间的相互作用和精密连杆机构的运动。然而，一旦开始引入柔性部件，事情就变得难以计算了。任何一个做过计算机仿真的人都会告诉你，建模一堆刚性碰撞立方体之间的相互作用是相当容易的。但是如果给每个立方体增加一点柔韧性，渲染一个场景所花费的时间就会大大增加。幸运的是，我们现在正处于计算技术、3D打印和材料科学都保持最佳发展状态的时期，这些先进的技术让我们能够快速地开发可重复的过程，设计和打印出复杂的软体机构用于测试。同时，我们也可以及时地将从这些机构中得到的信息反馈给能够仿真它们的系统。可以说，我们正处在软体机器人技术飞跃式发展的前沿。

目前，最普遍的软体机器人的设计流程与刚性机器人有很大区别。在传统的机器人技术中，主要的设计周期是仿真、仿真、再仿真，直到你拥有了想要构建和测试的对象。而大多数软体机器人的设计周期是搭建、测试、搭建、测试，然后实现一个工作原型机，补充需要的特征，然后进行控制和仿真。采用这种设计周期是因为制作软体机器人需要建立物理模型，并对软体机器人的行为进行分类。这一设计准则是科学测量与实验的结合。成熟的领域通常有大量的仿真和控制方法。如果回顾一下，比如微芯片技术，从一开始，它们都是经过反复试错才开发出来的。同时，在试错中也记录下结果，这样我们才能建立知识库用于后续设计。我们现在对软体机器人系统的设计也同样处在一个试错的阶段，但是就复杂度而言，软体系统的设计甚至比更成熟的刚性部件的设计有更多未知的变数。

软体机器人是使用多维度的形式创造的，但这些形式还没有被很好地特征化。许多柔性材料具有非线性行为，这些行为会随着时间的推移而改变。想象一下橡皮筋会随着时间的推移而磨损。当外力和周围环境的变化也是高度可变的影响因素时，如何在预测模型中精确地描述材料的衰减率？

最能被预测的仿真和控制模型是针对具有柔韧性但无弹性的软体机器人的。通过将柔软度限制在一个变量很少的范围内，机器人的仿真和控制就会更加易于管理。有时你也可以看到弹性机器人的仿真和控制模型，但其中大多数都是基于现有的物理原型开发的。

另一种软体仿真是完全抽象的。例如，软体体素（soft voxel）是能够仿真柔性材料的小块。不同的颜色代表材料的不同属性（如不同程度的柔软度、它们是否抖动或者振动等）。从本质上来说，这些软体体素都是可互换材料的计算机像素，可以用来设计纯数字式的软体机器人。哥伦比亚大学的研究人员Jonathan Hiller和Hod Lipson开发了一个操作软体体素的开源平台VoxCAD。一个更大的团队将他们的研究扩展到由这些小块构建的进化生成设计中。通过给定启动参数，数字软体机器人就会在指令下移动到屏幕的另一边。该程序能自动生成许多不同的设计并能快速对它们进行测试。性能最佳的设计将成为新的启动参数。然而，这些实验的一个局限是，它们产生的完全是理论对象，并且它们在物理上并不是可构建的设计。尽管如此，这样的材料在未来很可能被实现，而有趣的人工智能和新的形态也可能在短期内出现。有兴趣的读者可以下载VoxCAD软件设计自己的纯数字式软体机器人。

尽管“软体机器人技术”的“机器人技术”部分意味着这一领域在某种程度上不可避免地涵盖自动化和计算机控制，但开发高效的软体机器人很大程度上依赖于正确的机械原理。除非有更强大的工具来设计和仿真软体机制，否则物理原型仍将是观察软体机器人行为的最佳方式。

相对年轻的领域

自20世纪60年代以来，传统的刚性机器人已经成为商业上成熟可行的产品。这些机器人已逐渐成为主流，工业机器人、医疗机器人、军用机器人和娱乐机器人引领着今天的发展方向，扫地机器人已经进入千家万户，成为一种潮流。相比之下，在21世纪，软体机器人领域仍然很容易被归入其他领域，并一同被冠以“新兴领域”的统称。许多可能的柔性工程方法依然完全没有被深入探索，同时，已经被探索出的柔性机构也存在着没有实际用途的问题。

由于知识库相对较新，将柔性机构应用于工程问题常常需要从头开始设计解决方案。有关软体力学与制造的技术细节在文献中很少见，而且范围很窄。软体机器人的研究缺乏一个健全的柔性机构库。应用于软体机器人的行为很少与该材料的原始用例规格说明相同。因此，进行柔性机构的设计，往往需要很强的设计直觉和对材料的深刻理解。由于这一话题的新颖性，很少有足够的规则来判断在对现存材料形态给定输入力的作用下，机械动作将以什么样的顺序发生。

目前的软体机器人研究所涉及的方法，需要依赖大量的手工劳动来制造柔性设备。在这些情况下要想保持设备的可重复性是非常困难的。这也意味着，无论实际应用情况如何，所有设备最终都需要经过大量的生产线改造，才能适应大规模的生产。

这些困难阻碍了软体机器人技术的发展，也阻碍了其他领域的研究人员将软体机器人潜在的创新成果应用到他们所面临的具体问题上。

幸运的是，相对年轻的软体机器人技术提供的机会和挑战一样多。通过专注于软体机器人这样一个新兴领域，创客们可以发现令人兴奋的问题，并产生伟大的成果。年轻的领域可以让早期涉足这一领域的研究者创造出巨大的贡献，而我们邀请你和我们一道，探索奇妙的机器人未来世界。