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統的剛性機器人通常由金屬、陶瓷、工程塑料等硬度較高的剛性材料製成，本身與自然界和生物似乎沒有什麼直接關係。但大自然真真切切地給機器人行業提供了絕佳的範本，比如說那些隨處能夠捕捉到的與剛性系統截然相反的設計：絕大多數的生物體是柔軟而非剛性的，與生俱來的柔順性能使它們高效、和諧地與自然界環境進行交互。比如章魚、烏賊等頭足類動物，以及毛毛蟲、海星、蚯蚓等軟體動物，它們全身沒有一處硬質剛性骨骼支撐，卻依然能夠通過改變身體形狀完成令人稱奇的複雜柔性運動（伸縮、彎曲和扭轉等）。
這些軟體生物可能跟你心目中萌萌的大白（來自《超級陸戰隊》）相去甚遠，但事實是，這些軟體生物的「柔性」的確成為了現代機器人設計的靈感之源。哈佛大學的研究人員通過巧妙的設計，研發了一款利用多材料3D列印的全軟體機器人「Octobot」——它看起來是一隻章魚；義大利比薩聖安娜高等學校仿生機器人研究所的研究人員則研發出了一款會遊泳的機器章魚；北京航空航天大學與德國費斯託公司組成的研究團隊也在開展仿生軟體章魚觸手合作研究（該項目為費斯託公司仿生學習網絡中首個來自亞洲高校的合作項目，視頻詳見http://softrobotics.buaa.edu.cn/videos/index.htm），而他們的研究範本是章魚靈活的觸手。
所以最終，你最先盼來的「柔軟」機器人很可能不是大白，而是仿生軟體章魚觸手。
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以看到，機器人研究人員已經將目光鎖定在以章魚為代表的各種軟體動物身上，希望將這種「柔性」融入到機器人設計之中，使新的機器人類型——軟體機器人可以像生物體一樣改變自身形狀、剛度和運動方式，從而更加高效、安全地與人類和自然界環境進行交互。
這種軟體機器人能夠避免傳統剛性機器人在機構設計、加工、控制系統設計等方面的複雜度，在增強作業可靠性的同時降低生產成本；不僅如此，軟體機器人利用新型柔順軟材料的「機械智能」，具有結構簡單緊湊、柔順性高、功重比高、質量輕便和成本低廉的優秀特質，能夠解決目前機器人研發在應用範圍、複雜運動、成本、醫用植入以及小型化集成等方面的瓶頸；未來，軟體機器人將能夠完成諸多剛性機器人無法勝任的任務，比如服務於老年人或殘疾人、在海底或太空中執行特殊任務，甚至作為手術工具進入生物體內。北京航空航天大學與費斯託公司組成的研究團隊之所以選擇章魚作為模仿對象，就是為了從其生理結構中獲得靈感，實現能夠適用於情況多變的生產線的抓取能力，並保證人機互動的安全性，最終將上述願景變為現實。
為了最大限度地模仿章魚等生物體的柔韌性和靈活性，研究團隊設計的仿生軟體章魚觸手本體完全由接近生物軟組織的智能軟體材料組成，採用氣動控制方式，結構柔軟，在工作場所對人類是完全安全的；同時，智能材料及氣動控制方式又賦予了它可觀的剛性。
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形和觸感與章魚類似只是第一步。自然界中的章魚通過複雜、交錯的肌肉系統來完成肢體的吸取、纏繞、伸長和縮短等動作，那麼仿生軟體章魚觸手該如何實現這樣的靈活性呢？
研究團隊的秘訣是獨特的環形空腔。這種環形空腔分布在仿生軟體章魚觸手內部，經過完備的計算分析及有限元仿真，對環形空腔充氣，即可實現快速、精準的彎曲纏繞運動；改變供給的氣壓，軟體觸手的彎曲曲率也會隨之改變，從而可以抓取不同尺寸的物體。研究團隊還在仿生軟體章魚觸手內側設計了10個主動吸盤和8個被動吸盤。吸盤根據生物章魚的形狀設計，可採取負壓主動吸附的方式有效地吸附物體，不僅能夠調整物體姿態使其便於抓持，同時也能夠增加對物體的抓持力。通過環形空腔與主被動吸盤相互配合，仿生軟體章魚觸手就能夠將吸附與纏繞兩種方式結合在一起，實現對多種不同形狀、不同尺寸、不同擺放姿態物體的穩定抓持。
另外，研究團隊在仿生軟體章魚觸手內部嵌入了各向異性薄片，用以限制仿生軟體章魚觸手在彎曲方向外的變形，有效地提升其特定方向的剛度，從而大大提高其抓持重量和抓持精度。這樣一來，仿生軟體章魚觸手的長度為22釐米，重量只有190克，卻能夠抓取重達1千克的物體。
在現階段，軟體機器人大多採用氣動控制，仿生軟體章魚觸手也不例外。但令人頭疼的一個問題在於，如果氣壓過大，軟體機器人就會過度膨脹，極易導致壽命急劇降低。
為了避免出現這樣的問題，研究團隊在仿生軟體章魚觸手外層應用了各向異性複合彈性纖維，複合彈性纖維能保證軟體觸手在一定範圍內彎曲變形，在軟體觸手變形到達一定程度時，起到「鎖定」的作用，防止軟體觸手變形過大，有效地增加了其使用壽命。除此之外，彈性纖維的各向異性還使仿生軟體章魚觸手能夠實現多曲率自由彎曲，更好地貼附並抓持物體。
目前,仿生軟體章魚觸手大多採用開環控制,對尺寸相差不大的物體進行無差別抓取；但如果目標物體尺寸差別過大，則需要依靠視覺等外部傳感實現對目標物體的識別及抓取反饋。這將是研究團隊下一步的研究重點。研究團隊計劃將柔性傳感器集成到仿生軟體章魚觸手的設計中，使其對抓取情況做出反饋，實現對物體的閉環抓持。研究團隊還將繼續與哈佛大學結構力學教授凱蒂亞.貝託爾迪（Katia Bertoldi）合作，探索適用於快速、無損抓持不同形狀與結構物體的最優觸手結構。
經過深入的探索和慎重的設計，仿生軟體章魚觸手有望廣泛應用於工業生產線上，並憑藉其安全、靈活的特點，在醫療、服務等領域中大放異彩。不妨讓我們從最常見的掃地機器人開始來設想一下吧，如今它固定的形狀和堅硬的身體還不能完全代替我們清掃家中的每一個角落，但如果它的身軀變得像章魚觸手一樣柔軟，並且自身能夠變形到達家中的每個角落，那麼傳統掃帚就真的可以從此退出家居清潔的舞臺了。期待那一天的到來。
文力：北京航空航天大學機械工程與自動化學院副教授，博士生導師。
謝哲新：北京航空航天大學。
王田苗：北京航空航天大學機械工程與自動化學院教授，博士生導師。
龔哲元：北京航空航天大學。
Elias Knubben：費斯託集團公司研究員。
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