在人工智能和机器人领域，柔性微型机器人的研发正在进入快车道。它们不仅可以进行结肠镜检查、进行微创手术，还能对古典绘画进行精细的润色操作。这一切得益于被动顺应性技术，使机器人能够根据任务需求调整自身状态，提高效率和安全性。

不过，哈佛大学的研究人员却认为，提高机器人效率和安全性并非没有代价，因为被动顺应性限制了它们的有效载荷能力，从而限制了机器人的活动类型。因此，可变刚度对机器人、仿生学、医学、组织工程等领域的发展至关重要。目前已开发出多种可变刚度执行器，但它们主要由具有不同刚度和非动态特性的部件组成。仿生材料和生物混合材料的发展将带来全新的可变刚度系统。

可变刚度“皮肤”让“万物皆可变硬”

工科生一定看到过类似的科幻电影，当给普通人穿上一层具有特殊能力的“皮肤”，就能得到一定的超于常人的能力。例如漫威宇宙蜘蛛侠的宿敌“毒液”，原本是loser的男主借助外星生命体的“皮肤”获得了超能力，打败大反派，迎娶白富美，走上人生巅峰……

科学家们也在为机器人设计各种各样的“皮肤”，来提高机器人在某方面欠缺的能力，例如设计具有传感能力的皮肤模块附着于软体或者是刚性的机器人表面，让机器人具有感知外部世界的能力。有的研究者干脆直接制作了具有驱动能力的柔性皮肤，让毛绒玩具也能瞬间变身为具有运动能力的“机器人”。相比于改变机器人本身的结构和设计，为机器人添加模块化或者柔性的皮肤，也是提升机器人能力的一种方法。

自然界中存在着许多动物，可以根据环境来改变自身的刚度，从而更好地适应环境，例如章鱼可以让它们的触手在延展过程中变硬。受到自然界的启发，研究者们希望能设计可切换刚度的结构，从而满足不同的需求。如利用颗粒物阻塞便刚度的原理，或者利用磁流变液，或者是智能材料（液态金属，记忆高聚物）等。

变刚度“皮肤”不仅仅柔软，更重要的是它还具有一定的弹性，这使得它能够适应更多的表面，做出更多不同的形状变化。在需要提升刚度时，对结构内部进行抽真空，内部的薄片单元就会被大气压力挤压变形，从而起到所谓阻塞变刚度的效果，即所谓的（层间阻塞）layer jamming。

以海参为灵感设计“软机械臂”

刚度变化能够为柔性机器人或者柔性结构带来很多好处，例如能让机器人在“坚硬”和“柔软”之间切换状态。但现有的变刚度结构有一定的局限性，它们大多是为了实现某种特定的目的而设计，缺乏普适性。

研究人员提出了一种新的方法，他们设计了“软机械臂”，采用局部加固的理念来增强机械臂的强度，从而能够处理更大的有效载荷。这种局部加固是通过可变刚度致动器（VSA）实现的，它通过使用杠杆臂、弹簧机构、形状记忆材料和随温度变化的组件来控制机械臂的柔韧性。VSA使机械臂能够在运动中主动调整其内在顺应性，从而实现更快、更安全的运动控制。

这项研究中的灵感源自大自然中的海参，它们利用僵化来保护自己免受捕食者的伤害。海参在需要灵活性时表现出柔软性，但在需要固定时则变得坚硬。这种可变化的概念在机器人领域中得到了成功的应用，通过拮抗致动实现了机器人的柔韧性和强度的兼具。

麻省理工学院的研究人员也采用了柔性和顺应性的方法，开发了一种机器人系统，它可以握住物品并施加微调的力来执行各种任务，例如用笔写字或用注射器压出液体。这一系统被称为"系列弹性末端效应"，利用软泡泡夹具和摄像头来筛选六维空间内的活动，实现机器人的灵活性和精准性。

这些研究表明，柔性和顺应性是未来机器人发展的关键。通过提高机械臂的有效载荷能力，同时保持其利用顺应性在复杂环境中导航和与人类及易碎物体互动的能力，机器人可以更广泛地应用于各种领域。这一领域的不断创新将为机器人技术带来新的可能性，激发了人们对机器人在未来的应用潜力的思考。

可变刚度设计提升有效载荷能力

目前的人工智能机器人在微小活动方面取得了巨大进步。机器人能够处理易碎物品，得益于研究人员所说的被动顺应性。即能够根据特定任务改变自己的状态 特定任务。例如，它们的“手”可以调整形状，以适应形状奇特的器械。此外，它们还能调整压力，用来抓取从沉重的箱子到装有易挥发化学物质的易碎烧瓶等各种物品，以完成精细的手术。

这种被动顺应性允许机器人结构在遇到外力时屈服或变形。它能确保与人类主体进行更有效的互动，更重要的是，能确保更安全的操作。

然而，哈佛大学的研究人员指出，提高效率和安全性是有代价的。他们说，被动遵从限制了有效载荷能力，从而限制了机器人所能处理的活动类型。然而，哈佛大学的研究人员指出，提高效率和安全性是有代价的。他们说，被动遵从限制了有效载荷能力，从而限制了机器人所能处理的活动类型。

这些“软机械臂”采用了局部机身加固的理念，从而有效地增强了机械臂的强度，使其能够处理更大的有效载荷。这种加固是通过使用可变刚度致动器（VSA）来实现的，这种致动器通过使用杠杆臂和弹簧机构、形状记忆材料和随温度变化的组件来控制机械臂的柔韧性。

这项研究的作者丹尼尔-布鲁德（Daniel Bruder）说：“VSA 可以让刚性机器人在运行过程中主动调整其内在顺应性，从而实现更快、更安全的运动控制，""通过局部加固，提高软机械臂的有效载荷能力”。观察者可以看到可变僵化概念在大自然中的作用。海参 海参利用僵化来保护自己免受捕食者的伤害，当受到威胁时，它的外壳会瞬间变硬。海参在泥泞的海底钻洞时表现出灵活性，但当它们需要固定在原地时就会变硬。“我们的硬件实验证明了可调顺应性的实际优势，以及通过拮抗致动实现这一功能的可行性。”Bruder 说。

哈佛大学的布鲁德称，他的团队的研究将在未来开发出能力更强的机械臂，“通过提高它们的有效载荷能力，而不牺牲它们利用顺应性在障碍物多的环境中导航以及与人类和易碎物体安全互动的能力”。

文章来源： 机器人大讲堂，蓝海星智库