软体机器人具备柔软、灵敏及可拉伸的特点，因此能够更加安全且灵活地与环境互动。然而，它们的非线性和复杂性使得控制变得棘手。特别是当软体机器人需要连接庞大的控制装置和电缆时，这极大地限制了其灵活性。

当前，研究者们致力于研发一种无需依赖笨重控制系统的解决方案。将微型控制系统与软体机器人融为一体，成为了一个很好的思路。

卡内基梅隆大学的研究团队受到海星启发，将微型控制系统与柔软的肢体结合，创造出了一款名为PATRICK的无束缚软体机器人。这款机器人拥有五条腿，能够利用形状记忆合金（SMA）线驱动，在水下爬行。

PATRICK的五条腿由形状记忆合金嵌入硅橡胶制成，每条腿长10厘米，横截面为1.9×0.9厘米。当向形状记忆合金施加电流时，合金会自由收缩，进而带动硅橡胶结构弯曲。通过控制和驱动多条腿，机器人可以实现不同的行走姿态。

PATRICK的身体部分由电源和控制电子设备组成，整个结构被包裹在一个防水的硅胶套中。它由Laird BL652模块控制，该模块集成了蓝牙天线和nRF52832微控制器。微控制器通过异步收发传输器（UART）接收来自计算机的控制指令。研究者将五条腿分别连接到相应的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）上，再连接到中央控制板。当驱动嵌入腿内的形状记忆合金时，电流通过相应的MOSFET，产生焦耳热，导致腿的形状发生变化。

PATRICK还配备了嵌入式的开源软件，与连接至计算机的微控制器通信。机器人的两条彩色标记点可以确定其在二维空间中的位置和方向。基于机器人操作系统和外部摄像头，可以追踪这些标记点，提供反馈以控制机器人的动作。

每个形状记忆合金执行器被视为有限状态机来操作。每个SMA命令以（开启，关闭）的形式发送给PATRICK。通过改变激活SMA的时间，运动规划系统可以控制腿在不同方向上的弯曲。内置的安全计时器会在超时后断开电路，如果在设定时间内未接收到关闭命令，每个SMA将自动关闭，避免执行器过热损坏。

PATRICK的平均速度约为1厘米/秒，与海星的速度范围相当（大约0.5-2厘米/秒）。

总结来看，PATRICK机器人可以通过反馈控制精确地到达目标位置。通过对高级运动进行迭代，并采用基于视觉的形状反馈，可以显著改进开环行为，使机器人能够执行更复杂的任务。

未来的研究将着重于扩大任务种类和改进控制系统的性能。例如，通过引入更复杂的触觉感应和抓握功能，该平台有望能够在水下定位并拾取物体，将其移动到另一位置，或以其他方式操控物体。

原文链接：https://arxiv.org/abs/2003.13529

论文标题：An Untethered Brittle Star Robot for Closed-Loop Underwater Locomotion