Advanced Intelligent Systems:提出研制未来尖端柔性机器人一般原则 – 液体集成I – LIFE

自然界动物无与伦比的运动能力,长久以来始终激励和启发着人类去打造更为先进的机器人。在迄今已被逐步认识和借鉴的动物形体结构之外,还有哪些重要线索值得人类去学习效仿呢?实际上,只要将人造机器与自然所创造的生命作一对比,就会发现后者体系内充满了液体成分即水。也因如此,人类在寻找宇宙生命时,总是将能否找到水作为判断是否存在生命的基本原则。正是液体这种精灵般物质的存在,将生物界与了无生气的人工机器从根本上区别了开来。那么,生物体特别是动物体内遍布全身的液流系统,会否是机器人领域实现破局但却被长期严重忽视的技术源泉呢?要研制前所未有的性能卓越的仿生柔性机器人,是否应该深刻领悟生物体液系统所提供的重大启示?换句话说,将功能性的液体系统纳入作为柔性机器人的核心必备要素,或将催生出一系列变革性机器设计思路。近期,学术界在这一全新机器人设计原则与基础技术理念的构建上取得突破。

近日,中国科学院理化技术研究所与清华大学联合研究小组,基于其长期以来对液态金属变形效应、经典流体研究特别是液态金属在柔性机器人领域的基础探索,首次系统地提出一种旨在变革未来尖端柔性机器人的一般原则,即:液体集成。基于这一技术理念,未来柔性机器人体内将拥有如同生命体系那样的液体功能单元,并能由此将整个机体及功能集成到一起,作者们为此将其命名为智能液体集成功能体(I-LIFE:Intelligent Liquid Integrated Functional Entity),其缩略语也取“我•生命”的意思。相应论文发表于Wiley旗下的期刊Advanced Intelligent Systems上(T. Y. Liu, P. Qin, J. Liu, Intelligent Liquid Integrated Functional Entity (I‐LIFE): A Basic Way to Innovate Future Advanced Biomimetic Soft Robotics, 2019),文章第一作者为理化所博士生刘天英,通讯作者为理化所研究员及清华大学教授刘静。

在此项工作中,作者们指出,自然界众多巧夺天工的水相内环境生命设计策略完全值得充分借鉴和效仿。为了尽可能地从大自然中寻找线索,需要将动物的体液系统和柔性机器人的功能需求加以充分结合,以发展更为高级的柔性机器人。在这种液体集成的思想下,论文从五个代表性功能,即:运动、能量供应、结构调控、传感和智能控制等机器体系进行了论述,并系统讲解如何将液体系统充分介入到各层面,以发挥特定作用的问题。论文进一步列举了可作为I-LIFE候选液体的潜在对象,如:磁流变液体、液态金属、离子液体和水等,并解读了对应流体的技术应用特点。最后,对I-LIFE引申出的理论与技术挑战进行了剖析,并指出了未来发展的方向。

总体而言,I-LIFE的提出,可望促成柔性机器人研制理念的变革,在此方向上今后还有望发展出更多的理论与技术路线,从而为研制接近动物和人体功能的全新一代尖端柔性机器人打下坚实基础。

以上工作得到国家自然科学基金委重点项目、中国科学院院长基金及前沿项目的资助。