2017 年 7 月 17 日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF)發(fā)布 2018 年研究與創(chuàng)新新興前沿項(xiàng)目指南，將提供共計(jì) 2600 萬(wàn)美元的資助，以支持“染色質(zhì)和表觀遺傳工程”和“連續(xù)型、柔性和可配置的軟機(jī)器人工程”(C3 SoRo) 這兩大新興前沿領(lǐng)域的研究，獲資助項(xiàng)目最多可達(dá) 13 項(xiàng)。本文將重點(diǎn)介紹 C3 SoRo 的研發(fā)目標(biāo)和內(nèi)容。

盡管傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人擅長(zhǎng)處理在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的重復(fù)任務(wù)，但其在多樣性和適應(yīng)性方面的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生物有機(jī)體。為了創(chuàng)造出可以實(shí)現(xiàn)在動(dòng)物界所觀察到的具備顯著功能的“軟機(jī)器人”，需要對(duì)電力和信息系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，創(chuàng)建新材料并制定新的運(yùn)動(dòng)和操縱理論。C3 SoRo 旨在創(chuàng)建軟機(jī)器人的工程科學(xué)。

這一新興技術(shù)領(lǐng)域和隨后的跨學(xué)科活動(dòng)應(yīng)由工程主導(dǎo)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)，需要來(lái)自計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等多領(lǐng)域研究人員的貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目旨在尋求高度創(chuàng)新的提案，涉及動(dòng)力學(xué)和控制、材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料工程、形式化設(shè)計(jì)理論、生物力學(xué)和機(jī)械生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、細(xì)胞和生物化學(xué)工程、離子運(yùn)輸和電化學(xué)、電子和光子學(xué)、電路和器件等。項(xiàng)目應(yīng)包括以下三項(xiàng)研究重點(diǎn)，并在前兩項(xiàng)中應(yīng)至少具備一項(xiàng)明確的創(chuàng)新。

(1) C3 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模

第一項(xiàng)研究重點(diǎn)是 C3 機(jī)器人的抽象和理論表征，其目標(biāo)是制定和驗(yàn)證一系列可計(jì)算的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)表示，本質(zhì)上是適用于從高度保真的仿真、參數(shù)化設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制應(yīng)用的柔性材料和結(jié)構(gòu)?；谶@些表征的正式設(shè)計(jì)理論也很重要。

(2) 分布式感知、驅(qū)動(dòng)和計(jì)算

第二項(xiàng)研究重點(diǎn)是推進(jìn) C3 機(jī)器人實(shí)施的關(guān)鍵方面，其目的是創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)上述第一項(xiàng)研究中生成模型的設(shè)備和架構(gòu)。這些設(shè)備應(yīng)兼容復(fù)雜的、高柔性的和可控制柔性結(jié)構(gòu)的開(kāi)環(huán)和反饋控制，包括分布式計(jì)算、感知和驅(qū)動(dòng)方法，以及用于存儲(chǔ)和分配動(dòng)力與信息、組裝與集成的方法。與合成材料和活組織混合方法一樣，生物啟發(fā)方法也很重要。

(3) 驗(yàn)證和測(cè)試

第三項(xiàng)研究重點(diǎn)的目標(biāo)是制定和展示物理平臺(tái)，以完成機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、嚴(yán)格概念證明和各種任務(wù)和情況下的綜合評(píng)估。雖然研究人員已經(jīng)提出了許多針對(duì)特定部件的設(shè)計(jì)方法，但將各種功能的元件整合到實(shí)際系統(tǒng)中幾乎沒(méi)有進(jìn)展。為了鼓勵(lì)研究成果的廣度、相關(guān)度和魯棒性，該方向需要對(duì)上述兩項(xiàng)研究的要素進(jìn)行論證，整合在一個(gè)魯棒的測(cè)試平臺(tái)中，并能在非理想條件下完成說(shuō)明性目標(biāo)。這樣的系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在大量形態(tài)變化下仍維持功能的主旨目標(biāo)。相關(guān)硬件研究應(yīng)確定具有系統(tǒng)級(jí)功能的集成軟機(jī)器人解決方案的可行途徑。