几十年来，工程师们一直在努力让机器人的动作更像生物——流畅、灵活、智能。但是，虽然大自然通过肌肉、肌腱和神经进化出优雅和适应性，但人造机器往往仍然僵硬、机械和笨重。每次机器人学家想要让机器人更加敏捷时，他们都会添加更多的电机、传感器和控制系统。结果是复杂性——机器可以令人印象深刻的移动，但只是在重量、能量和控制方面付出了巨大的代价。

现在，由谢菲尔德大学电气与电子工程学院的曹林博士领导的研究团队找到了一种方法来颠覆这种旧逻辑。他们没有添加更多的移动部件，而是教机器人更智能地移动。他们的开创性工作发表在《科学进展》上，引入了一个称为滞后辅助形状变形 （HasMorph） 的新概念——这一发现可能会永远改变我们对机器人技术的看法。

“瑕疵”之美

每个机械系统都有缺陷。其中一个问题称为滞后——一种机械“记忆”，其中材料的行为不仅取决于其当前状态，还取决于它之前所做的事情。

如果您曾经转动方向盘并注意到它没有立即弹回中心，或者在齿轮改变方向时感觉到细微的滞后，那么您就经历过滞后。

“如果滞后不是问题而是一个功能呢？”

这个简单的问题导致了一种全新的思维方式。该团队没有与滞后作斗争，而是决定使用它。他们意识到，通过利用这种自然的机械延迟，机器人可以记住以前的形状，在没有持续控制的情况下保持位置，并执行复杂的多步骤运动，同时使用更少的执行器。

从“更多电机”到“智能运动”

在大多数机器人系统中，更灵活意味着更多的电机。每个电机或执行器控制一个关节或一段运动，就像拉线木偶上的拉线一样。添加的拉线越多，控制就越多，但复杂性也就越大。传统方法就像建造一台机器，有数十块微小的肌肉，每块肌肉都需要自己的命令。

HasMorph 系统完全打破了这一规则。通过利用滞后，曹博士的团队创造了只需两根肌腱即可实现各种形状和运动的机器人。这些肌腱拉动和释放软机械臂的各个部分，由于滞后，每个部分的响应根据其过去的运动略有不同。其结果是机器人可以以惊人的精度移动、弯曲、扭曲和变形其身体，而无需数十个电机或复杂的算法。

“更灵巧的运动并不一定意味着需要增加更多的动作，”曹博士解释道。“这是关于更智能的设计。”

这种思维转变——将智能视为可以嵌入材料本身的东西，而不仅仅是控制软件中——标志着机器人设计理念的转折点。

一个想法中的三个突破

HasMorph 概念不仅仅是一个巧妙的技巧，它代表了三项基本突破，可以重塑软机器人领域。

首先，该团队将滞后从缺陷转变为特征。他们没有将其视为错误源，而是用它来实现可控、稳定的形状变化。机器人不需要不断调整——它自然地保持其形状，就像弯曲的植物茎在没有持续受力的情况下保持弯曲一样。

其次，HasMorph引入了一种新的驱动范式。只需两根筋，机器人就可以独立控制多个弯曲部分，从而实现数十亿种潜在配置。这种程度的形状复杂性，以如此简单的方式实现，以前被认为是不可能的。

第三，也许也是最引人注目的是，研究人员将 HasMorph 与软生长机器人相结合——这种设计的灵感来自植物，这些植物会伸出尖端来探索周围的环境。通过将 HasMorph 应用于该结构，他们创造了一个可以“向前生长”、绕过障碍物甚至从尖端缩回的机器人，沿着它前进的确切路径。这种“跟随领导者”的动作长期以来一直是机器人技术的梦想，特别是对于在狭小空间中精确导航至关重要的应用。

像自然一样思考的机器人

想象一下，一个像藤蔓一样生长的机器人——轻轻地向前推进，在遇到障碍物时调整形状，以微妙的精确度选择方向。这正是 HasMorph 使之成为可能。

通过将柔软的植物式生长与智能形状记忆相结合，曹博士的机器人可以扩展到密闭或不可预测的环境中，然后安全地缩回，不会留下任何损坏。这使得它非常适合探索传统机器会出现故障的微妙空间，从人体内部的医疗程序到灾区的搜救任务。

仿佛机器人技术终于从进化中吸取了教训：效率不是来自蛮力，而是来自物质、运动和记忆之间的和谐。

改变医学及其他领域

HasMorph 的影响是巨大的，远远超出了实验室的范围。

例如，在微创医学中，HasMorph 可以实现下一代机器人内窥镜——微型而灵活的设备，可以以前所未有的敏捷性在人体内部移动。这些工具可以在没有制造摩擦或创伤的情况下在重要器官周围导航，高精度的引导体内手术。

“对于患者来说，这可能意味着更安全、创伤更小的手术，”曹博士说。

在搜救行动中，HasMorph 机器人可以在倒塌的建筑物或瓦砾中爬行，在狭窄的缝隙中变形前进以找到幸存者。在高危工业检查中，它们可以代替人类在管道、发动机或结构空腔内工作。

机器人思维的范式转变

也许 HasMorph 最深远的影响不是机械性的，而是哲学性的。它挑战了长期以来的“复杂性需要复杂性”的假设。相反，它表明，当您了解如何使用材料的自然特性而不是违背它们时，真正的复杂性可以源于简单性。

通过拥抱滞后现象（一种长期以来被视为一种限制的现象），曹博士和他的团队展示了以不同方式思考的力量。这提醒我们，创新很可能是来自以新的眼光看待熟悉的事物，而不是资料纯量化的堆砌。

迈向更智能、更柔软、更人性化的机器人

未来的机器人可能不会像科幻小说中的机器那样叮当作响。它们可能更像有生命的有机体一样生长、灵动和呼吸——优雅、适应性强、运动中充满活力。机器人正在进入一个新时代——在这个时代，机器人不仅能行动，具备记忆功能、适应性，还很可能具备自动升级能力，直至其更接近生命自身。

是不是一下子联想到电影《未来战士》中的“变形金属”？

来源：Meet the Robot That Can Remember Its Shape—and Move Like It’s Alive