开启家庭生活的新篇章

打开家里的门、抽屉或者拧开瓶盖，对于人类来说似乎轻而易举，但对于机器人而言，却是一个巨大的挑战。这类任务的难度甚至不亚于让机器人下围棋。然而，最近中国科学技术大学陈小平教授的团队成功研发出了全球首款柔性机器人手臂，能够轻松完成这些任务。

北京大数医达科技有限公司的CEO邓侃对此给予了高度评价：“这是一项革命性的进步，将极大地丰富机器人的应用领域，使机器人更加贴近人类的生活。”

这项研究从发现问题到提出原理并完成实验验证，历经了13年的漫长过程。

能“绣花”也能“举重”

提起机器人，很多人脑海中浮现出的是变形金刚的形象。确实，传统机器人通常是刚性的，虽然坚固但缺乏灵活性。相比之下，陈小平教授团队研发的柔性手臂拥有数十个自由度，可以根据需要灵活弯曲和运动，从而完成各种精细操作。

该团队提出了一种蜂巢气动网络结构，由蜂巢和气囊结合而成。当气囊充气时，依靠蜂巢的六边形结构变形，手臂可以灵活地弯曲和运动。这种设计使得手臂既轻便又成本低廉，适合3D打印制作。此外，柔性手臂不仅灵活，还具有强大的力量。由于蜂巢结构的存在，研究人员可以使用较硬的材料，使手臂的负载自重比达到1:1，从而实现“绣花”和“举重”的双重功能。

此外，柔性手臂还具备一项刚性机器人难以企及的技能——借助尺子画直线。“如果机器人能够使用工具，那么它的应用范围将会大大扩展。”陈小平教授表示。

邓侃指出，这项工作在学术上有三大亮点：首先，摒弃了传统的刚性材料，改用柔性材料，这是仿生学的一大进步；其次，采用了蜂巢结构，这是一种新型的材料和组织方式；最后，改变了传统的一体化操作模式，赋予各个关节自主决策权和自我组织、自我学习的能力，为机器人操作算法的研究开辟了新路径。

目前，国内外对于末端的柔性手爪研究较多，但柔性手臂尚未见报道。

13年的不懈努力

这项研究始于13年前。2008年，中国科大机器人团队开始研发家政服务机器人“可佳”，随后又开发了情感机器人“佳佳”。尽管“可佳”在外观上并不出众，但它勤劳且可靠；而“佳佳”则聪明美丽、善解人意。如果这两者能够结合起来，家政机器人将能在家庭中发挥更大的作用。

然而，在研究过程中，团队发现机器人的手是最大的短板，灵活性极差。2010年，哈佛大学首次做出了硅胶软体机器人，受到启发的陈小平教授提出了气动软体手臂的概念。经过广泛的调研和多次失败，直到2013年，他们才最终确定采用蜂巢网络结构完成气动软体手臂的设计。

起初，一群计算机专业的研究生们面临着巨大的挑战。但他们通过反复试验，最终手工制作出了一条简陋但具备基本功能的软体手臂。与刚性机器人不同，软体机器人即使充气量相同，每个气囊的形变也可能不同，尤其是在多个气囊叠加的情况下。这使得研究回归到不确定性控制问题上。此后，团队开始了对新控制算法的长期探索。相关论文在2014年获得了国际机器人智能研讨会的最高奖项。

从发现刚性机器人难以克服的问题，到提出理论并完成实验验证，团队经历了三批学生的轮换，时间悄然过去13年。陈小平教授表示，工作仍在继续，目标是构建完整的抽象理论并实现实际应用。

让机器走进人心

机器人进入家庭的最大难题是什么？陈小平教授通过长期研究发现，关键在于环境的“非封闭性”，即人工智能无法有效处理场景中的无限未知变量。例如，无人驾驶汽车在自然环境下自主驾驶、识别人的内心想法等。相比之下，刚性机器人对封闭性要求极高，一旦遇到人为干扰，往往无法正常运作。

陈小平团队曾让刚性手臂的“可佳”机器人在有人捣乱的情况下成功使用微波炉，部分解决了非封闭环境下的问题。而此次的柔性手臂，则巧妙地降低了对封闭性的依赖，在与环境交互时无需精确建模或感知，即使被人为干扰，也能顺利完成任务。

邓侃表示：“柔性手臂采用的自组装和自学习方式，将使机器人研究迈向新的台阶，应用前景广阔。”

据民政部数据，中国有4000万失能老人，而家庭服务员不足1700万，缺口仍在扩大。填补这一缺口正是陈小平教授研发家政机器人的初衷。如今，随着柔性手臂的成功研发，这一目标已更近一步。陈小平教授说：“技术的最终目的是提高人类的福祉。”

相关论文信息： https://doi.org/10.1177/0278364920979367