时值午后，我实验室里的一位研究生第一次将我们的机器人投入水中。我紧张地看着我们的电子作品沉入海浪之下。机器人没有令我们失望：我们发出游泳的命令后，它用水充满其可扩张的外罩，然后向外喷水前行；我们命令它缓行时，它用力地依次活动8肢，推动自己沿着底部的泥沙和散落的暗礁行进；我们指示它探索码头下面的狭窄空间时，它轻而易举地将柔软的身躯伸进狭窄的缝隙。
作为意大利比萨圣安娜高等学校仿生机器人研究所的教授，我带领了一个团队研究软体机器人。我选择构建仿生章鱼机器人有两个原因。首先，章鱼机器人非常适合展示随需弯曲和挤压能力的优势。此外，这也是一个非常好的工程挑战：一个章鱼机器人有8个摇摆肢，它们必须协同面对水中各种复杂的力，这一点很难设计和控制。
在研究过程中，我们的团队希望从根本上反思机器人理论和技术。更关键的是，我们试图发展机器人操作的新策略，使机器人可以在任何方向随意卷曲肢体，这是难以控制的。为了解决这些难题，我们从自然界中的生物——章鱼身上获取灵感。
长久以来，机器人主要用于工厂，其刚性肢体适合执行手头的重复性任务并满足所需的精确度。然而，机器人专家现在想将他们的创造物用于传统机器人难以处理的、更难预测的环境。还有一些研究人员正集中精力研究不会伤害他人的软体机器人。为实现这些目标，机器人研究人员不断研究各种动物。这就是为什么我协助启动了章鱼集成项目。欧洲和以色列几所大学的实验室自2009年开始就该项目展开合作。联合团队的一些成员先前曾参与过将“章鱼肢体”置于坦克式机器人上的项目，现在他们热切地加入到模仿章鱼其他卓越能力的新任务当中。当然，我们知道这并不容易。
章鱼没有内外部骨骼，8肢可以随意弯曲、伸长、缩短和用力。它可以灵活地卷曲肢体勾住目标进行任意动作，章鱼要依靠这种灵巧性才能在野外生存。
我们首先研究了章鱼肢体的肌肉性静水骨骼结构，这种结构能在保持肢体总体积不变的同时，使个别肌肉收缩并改变形状。为了将生物学现象转化为工程学研究，我们与海洋生物学家合作测量了章鱼肢体，并制作出能够为我们的设计提供信息的计算机模型。然后我们开始实验如何制作出可以模仿章鱼肌肉的软执行器。
一种方法是使用电活性聚合物（EAP）这种材料来制造人造肌肉。两个电极像三明治那样将软材料层夹在中间；施加电压时，EAP充当电容器，电极向中间靠拢，挤压它们之间的软材料。利用这种现象，研究人员已经制造出可以堆叠并产生明显力量的收缩单元。另一个可能方法是使用流体执行器建造机械肢体，将液体或气体注入软体腔以改变更大结构的形状。还有一个有趣的方法是用颗粒物取代流体作为软体腔的填充物。有了这种“塞入”技术，软体机器人在常态下将保持柔软，而内部真空时则会形成坚硬的形状，就像杂货店货架上的真空包装咖啡砖一样。按照设定的顺序使各部分内部真空，研究人员可以让软体机器人以特定的方式变硬并移动。
我的团队最感兴趣的方法是使用形状记忆合金（SMA）这种材料来制作人工肌肉。加热时，SMA变形到预定形状并“记住”。我们将SMA线做成弹簧状，通电使其加热，弹簧就会模仿肌肉进行收缩。我们针对章鱼集成项目构造了一个原型肢体，用SMA弹簧作为章鱼肢体内的纵向和横向肌肉。通过给不同组的弹簧通电，原型肢体可以在多个不同点弯曲、缩短和伸长，甚至可以抓取东西。
我们的工作主要是展示软体机器人的潜力，在章鱼机器人实际走出实验室之前还有很多工作要做。举例而言，肢体带有传感器的机器人可以反馈其位置和触碰物，这将有助于我们制定更好的控制策略。想想有着灵巧8肢的高级章鱼机器人如何在野外活动，多么有趣啊。机器人专家除了对章鱼的肢体和肌肉感兴趣，还看重章鱼的特殊智力水平。可令人惊讶的是，章鱼竟然可以控制8个独立的肢体进行大范围的活动。因此，章鱼集成项目的下一个挑战就是研究章鱼的控制机制，寻找可以管理柔性机器人复杂运动的方法。
生物学家已经明确，章鱼的大脑并不会针对扭曲的8肢的每一个小动作发出自上而下的命令。就普通章鱼而言，其大脑所包含的神经元数目，比周围神经系统内的神经元数量少得多。生物学家认为，大脑负责启动动作，而较低的运动中心控制更精细的神经肌肉活动。实验表明，即使把章鱼的大脑神经切断，它的肢体仍会在刺激下收缩并伸出去，好像要抓住某物。
我们还有更有趣的发现：章鱼的肢体不需要全面的方向认知来进行所需的运动。经过数百万年的进化，它们的身体能够以自主并有效的特定方式对环境做出响应。这个概念通常被机器人专家称为形态计算，而人工智能研究人员则称之为具身智能。套用到机器人世界时，这个原理意味着，我们设计的机器人可以凭借身体的物理特性自动进行所需的运动。有了这个策略，极其简单的命令就能够使机器人高效地执行复杂的任务。
我的团队第一次着手制作可以沿着海底爬行的机器人章鱼时，就时刻铭记这个原则。我们研究了真实章鱼的运动策略，并确定了它的爬行4步骤。首先，章鱼的一个后肢触到底部；然后该肢伸长，推动身体的其余部分前进；随后它收起吸盘，使该肢与海底分离；最后，该肢蜷缩到靠近身体的部位，并准备下一个前推动作。章鱼用两肢以优美的顺序执行这些动作，像波浪一样起伏前进。
为了模拟这种运动形式，我们的章鱼机器人似乎需要进行大量的计算，以控制其8肢，使每肢都可以在任意点弯曲。由于我们的机械肢体自由度太多，难以应用一般的控制策略。我们决定遵循进化的原则，尝试制作不需要复杂控制输入的机械肢体。在这之前，我们制定了数学模型以全面测试机械肢体的各种设计，包括所用材料的密度、硬度、形状以及人工肌肉的内部布局等。所有这些参数都需要在水下进行性能检测。在不同盐度和温度的水中，机械肢体的表现如何？深度和压力的增加对机械肢体有什么影响？电流和湍流对机械肢体的活动有什么影响？为了回答这些问题，我们在模型中增加了流体动力学要素。我们还必须考虑机器人所爬行表面的纹理和结构。为避免设计过于复杂，我们决定放弃使用吸盘，取而代之的是在机器人外部使用可产生较大摩擦力的材料。
要为模型中所有这些参数找到最佳组合，如果通过反复试验计算，任务会过于复杂，因此我们使用一种进化算法在较大范围内寻找可能解。该算法从创建各种假设的章鱼体形开始，然后测试哪种章鱼肢体的表现最好，进而使用“最适合的”肢体属性来探寻新一轮的可能解。通过这种方式，我们确定了可以产生恰当推进力量并执行所需爬行动作的组合模式。
事实证明，控制章鱼机器人并不难，可以模仿我们在章鱼身上所观察到的爬行4步骤。我们旨在通过这个原型展示控制机制，而不是材料，为此我们替换了SMA，使用电缆作为人工肌肉。每个硅橡胶肢体都包含一条可以延长或缩短机械肢体的钢缆，以及一根用于弯曲机械肢体以实现附着和分离步骤的碳纤维电缆。每个机械肢体中有一个简单的伺服电机提供电力。我们在设计时进行了大量复杂计算。但当机器人行动时，我们可以自豪地说，它非常“傻”：它只有一个简单的“大脑”，通过正确的顺序启动机械肢体，使章鱼机器人凭借其自身的机械性能爬行。我们的章鱼机器人展现了形态计算的有效性。
我的团队于2012年启动了一个名为PoseiDrone的相关项目。我们的目标是制造出一个软体水下机器人，它不仅可以爬行和抓住物体，而且可以游泳。为了赋予机器人游泳的本领，我们再次使用了形态计算。设计的关键是章鱼机器人的外罩，也就是章鱼的头状部分。这一部分可在充满水时膨胀，然后收缩，喷射水并产生推进力。我们又一次使用计算机模型确定硅树脂罩的尺寸、形状和材料性质，尤其是结构在喷射水时变形的方式。我们的算法产生了最佳组合，只需要一个小电机和几条简单的线缆就可以使章鱼机器人实现水中的喷射推进。
我们研究了PoseiDrone原型执行各种任务的能力，例如边爬行边拖动物体，并在游泳时通过喷射一股股水流推动自己前进。这个原型就是上文我们投进地中海的机器人，目的是测试它在广阔的户外表现如何。我们很高兴地目睹机器人在不可预测的表面、波浪和电流间从容应对。
作者：Cecilia Laschi
