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|行业周观察｜颠覆百年传统的软体机器人

【|行业周观察｜颠覆百年传统的软体机器人】
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它创造了一种全新的机器形态 ， 酝酿着无数可能 。

作者 | 门宇阔
在北京丰台区的一家机器人公司的操作平台上 ， 一只机器手臂正在进行着表演：它先是轻巧地拿起一瓶红酒 ， 准确无误地把酒倒进杯里 ， 随即以恰到好处的力道抓起一小片薯片 ， 安全地放落在桌子另一端 。 之后 ， 它又连续拾起四块饼干 ， 以迅雷之势把它们分拣到了包装盒内 。
和大多数机器人总是一副钢筋铁骨的样子不同 ， 眼前的机器人外形奇特 ， 四根独立的橡胶指状物在抓取物品时很像一只章鱼捕食的姿态 。

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“这是软体机器人 ， 软机器手可以像人类的手一样触碰这些食物 ， 不会破坏形状也不会影响口感 。 ” SRT（北京软体机器人科技）联合创始人兼CEO高少龙对《创造一下》表示 。
相比诞生于上世纪50年代的传统工业机器人 ， 只有十多年发展历史的软体机器人仍是后起之秀 。
它们的显著特点是灵活度和安全性更高 ， 通常不具备复杂的机械结构 ， 却能在狭小的空间展开作业 ， 也没有传统机器人的强电机惯性 ， 可以和人亲密合作 ， 共同完成任务 ， 被普遍认为是新一代工业自动化的重要方向 。
随着人工成本的持续提高和产业自动化升级的诉求 ， 又进一步放大了市场对软体机器人在呼声 。 但软体机器人一直以来也面临一个质疑：商业化程度不高 。 无论是传统的工业生产、物流运输、医疗、设备维修 ， 还是新兴的玩具、环境勘探、看护等领域 ， 软体机器人几乎都没有落地的项目 。
然而 ， 近5年来 ， 软体机器人的细分市场正迎来拐点 。
以行业的开拓者Soft Robotics为例 ， 他们在今年一月获得了2300万美元B轮融资 ， 加上2018年进行的2000万美元的A轮融资 ， 和2015年获得的500万美元Pre-A轮融资后 ， 该公司目前总融资额达到了4800万美元 。
资本的持续关注 ， 从侧面验证了软体机器人的商业化潜质 。 面对新机会 ， 国内也出现了一批软体机器人新兴企业 ， 比如柔触和SRT 。
SRT是国内最早进行软体机器人研发的公司 ， 已销售产品的应用行业覆盖3C电子、食品、医药、日化、汽车配件、生鲜、机械加工等领域 。 公司也已经完成数千万元Pre-A和A轮融资 ， 新一轮的融资也在洽谈中 。
软体机器人的先行者
对高少龙来说 ， 成为国内最早掘金软体机器人的创业者是个意外 。
2014年 ， 北京航空航天大学成立了“仿生软体机器人实验室” 。 此时 ， 毕业于北航的高少龙正从事母校国际交叉科学研究院工作 。
初次接触到软体机器人的高少龙颇为震撼：“机械行业已经有二三十年没有过这种原理级的创新了 ， 我当时认定这种创新将会刺激出新的蓝海市场 ， 会极大地拓展机器人技术的应用领域 。 ”
这成为了高少龙的创业初心 。 经过再三权衡后 ， 高少龙决定从北航辞职 ， 和另两位北航同事合伙创业 。 2016年 ， SRT正式成立 ， 研发团队大多出自北航软体机器人实验室 。
SRT选择深耕软体夹具领域 ， 作为一个“舶来”技术 ， 软体机器人在国内学术界本身就是冷门 ， 进行工业级的产品验证时 ， 更是踏入了一个行业的“无人区” ， 既没有现成理论 ， 也没有上下游供应链 ， 一切都要从零开始 ， 回顾刚起步时的感受 ， 高少龙用了“迷茫”这两个字：
“如果说我们今天去做个平板 ， 其实不是那么复杂 ， 我们先看苹果是什么样的 ， 小米华为是什么样的 ， 各自有什么优缺点 。 但做软体机器人这块 ， 没有参照的方向 ， 市面上没有可以对比的产品 ， 这东西的产品形态到底应该是什么样的？没人知道 ， 我们都是跟客户一点点琢磨出来的 。 ”
因此 ， 高少龙特别感谢行业的早期创新者 ， 研发机构和科研单位给了SRT很多技术支持 ， 而当SRT给企业提供技术的时候 ， 这些企业往往有自己的想法 ， 会给SRT反馈意见 ， 大家合力去改进产品 。
比如在软体机械的结构设计上 ， 不同的结构会带来不同的使用特性 ， 针对不同的使用场景 ， 每一个夹爪的动作设计、力度和精度都需要进行微调和优化 ， 这些涉及到弹性材料的选取 ， 内部空腔结构的设计以及动作控制等等 。
最后 ， SRT构建了一整套的柔性夹持系统 ， 它由很多部分组成 ， 其中气动控制器和柔性夹爪是SRT的核心产品 。
它的原理并不难理解 ， 气动控制器通过空气导管 ， 对空气压力进行调节 ， 当输入正气压时 ， 爪子就会握紧；抽出空气形成负压 ， 爪子就会张开 ， 在这一张一合之间 ， 机器手就能完成抓取动作 。

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SRT一套设备大约需要20万的费用（包括柔性夹具、一个国产机械臂、机器视觉仪器和气动控制器） ， 这一些行业里 ， 这仅相当于3-4名产线工人的年工资 ， 但用同样的价钱 ， SRT的软体机器人可以完成4-9人的工作量 。 高少龙透露 ， 在很多使用柔性夹爪的方案里 ， 效率可以比人工提高一倍 ， 工作时长也能显著延长 。
通过和协作机器人的无缝集成 ， SRT解决了很多行业的自动化抓取难题 ， 已经应用在手机屏幕、边框、电路板、汽车软包电池、电脑外壳、珠宝首饰等易损物品的抓取场景 。

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软体夹具是整个软体机器人行业里少有的商业案例 ， 全球目前只有SRT和Soft Robotics、柔触科技三家实现了技术产业化 ， 面对先行者积累的技术资本 ， 后来者要需要跨过很高的入行门槛 。
高少龙表示 ， 软体夹具是一个面向多个行业的通用型技术 ， 但他同时承认 ， 软体夹具所使用的材料、驱动方式和传感方式 ， 都和刚性机械有很大的不同 ， 厂商需要自己解决研发、设计、材料生产、装配、调试等一系列环节 。
单拿夹具上的硅胶材料举例 ， 使用不同的配方和催化剂 ， 会生成出性能截然不同的产品 ， 这就需要企业建立自己的材料力学和结构力学工作室 ， 不断积累试验数据 。
据了解 ， SRT自建的生产车间掌握了全套软体机械的工艺路径 ， 已生产了40多类不同款式的抓具产品 ，SRT柔性爪夹的重复定位精度在0.1mm ， 其最高抓取速度可以达150次/分钟 ， 使用寿命可达300万~600万次 。
“只是一个门槛很高的事情 ， 行业发展了10多年 ， 全球有实力的就两家 。 SRT作为方案解决方 ， 在业务从未有过竞标环节 ， 都为协议招标 ， 也从侧面印证了蓝海效应 。 哪怕现在 ， 整个行业内也没有相应的供应链上下游 ， 我们实现了技术产品化 ， 未来想做技术工具化 ， 成为别人创新的一个部分 。 ”高少龙说 。
蓝海还没变红 ， 寡头的格局已慢慢成型 ， 在一个竞争不那么激烈的市场格局里 ， 让软体机械夹具的参与者们有精力在业务层面进行更深度的推广 。
软体夹具的鼻祖Soft Robotics从食品包装上起步 ， 目前 ， 它正致力于扩展在消费品领域的应用 ， 并延伸至电子商务和物流领域 ， 帮助零售企业实现自动化和改善退货流程 。
在SRT这里 ， 高少龙表明首先是进行更细致的产品和服务供应 ， 这也是公司保持持续竞争力的关键 。 同时 ， SRT也在试水医疗领域 ， 高少龙透露 ， SRT在医疗上有长期的规划 ， 从康复设备开始 ， 到假肢、手术器具 ， 再到植入人体的软体辅助设备 。
在康复上 ， SRT在研究一种类似机械外骨骼的产品 ， 针对身体运动机能失调的人群使用（中风患者、受伤的运动员等） ， 与传统的金属外骨骼不同 ， 软体机器人的引入 ， 可以让穿戴更舒适 ， 提供更好的包裹性和保护性 。 此外 ， 软骨骼有更好的柔韧性 ， 能适应不同人的体型 ， 相比于需要单独定制的机械硬骨骼来说 ， 它能大大地降低成本 ， 去覆盖更多的人群 。
在假肢的设想上 ， 软体的设计也有独特的优势 。 目前世界主流人体五指机械手的开销在60万人民币左右 ， 简化版的售价也可达30万人民币 ， 高少龙希望通过软体技术 ， 让机器假肢的售价降低到5万人民币上下 ， 让用户可以自己吃饭、拿东西 ， 实现正常的起居生活 ， 又不用付出高昂的代价 。
对SRT来说 ， 生产民用级产品会是很大的挑战 ， 特别在医疗保健的细分领域 ， 客户的接受度和准入门槛都会很高 。 工业级的设计思路 ， 偏向效率和稳定性 ， 而民用级的产品设计会考虑更多：耐久性、易用性、人体工程力学、美观程度、续航能力…这对于SRT来讲是颠覆性的 ，“我们还是希望能造福一些人 ， 这也是做技术出身人的…算是一点念想吧 。 ”高少龙笑道 。
从总体上看 ， 软体机器人依然处于学术实验阶段 。 虽然大部分产品没有落地 ， 但细分领域已经有所突破：软性夹具走出了实验室 ， 在不同的工业应用场景下挑着着百年刚性机械系统的统治 ， 并开始下探到民用消费市场 。
补充阅读：软体机器人行业小史
人们对于机器人的想象 ， 可以追溯到文艺复兴时代 ， 在后人整理的达芬奇手稿《大西洋古抄本》中 ， 就出现了关于机器人的设计 。

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达·芬奇机器人内部的绳索、齿轮和滑轮细节
在刚性材料被应用后 ， 各种机械模型和可以量产的零件得以从纸面变成现实 ， 刚体运动学应运而生 ， 也直接促成了现代工业化社会中无处不在的刚性机械 。
可是刚体机械也有它的局限性 ， 由于马达的驱动惯性 ， 导致它的灵活性很低 ， 与脆弱物体接触时容易造成破损 ， 特别是在与周围的人交互时 ， 往往存在安全隐患 。
2009年开始 ， 学术界开始寻求刚性材料和马达电机之外的机械解决方案 ， 研究方向很快向仿生学靠拢 ， 模型设计大多来自于自然界的软体生物 ， 比如模仿毛毛虫的蠕动型机器人 ， 通过卷缩来实现身体移动；完全没有内脊柱的柔性机器人 ， 通过一个聚合物圆盘的开关 ， 来模仿水木在海洋环境中的运动 。
和传统的刚性构造不同 ， 这类机器人通常使用硅胶、聚合物等软体材料 ， 动力来自压缩空气、磁场或温度变化 ， 输入软性的肢体进行相应驱动 。

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软体机器人是一个全新的领域 ， 不同的方案和设计构思促成了和传统机器人完全不同的产品 ， 应用范围也超过了传统机器人尚未踏足的领域 。
在科罗拉多大学实验室 ， 工程师研制出了一种蛆型软体机器人 ， 它可以通过温度指引在人体肠道内爬行 ， 将药物直接送至伤口或病原处 。普通的药物治疗针对性不强 ， 对身体的其他部位也有副作用 ， 而软体机械给药物的靶向治疗提供了一种新的可能 。
MIT主导的软体蠕虫机器人 ， 身体可以伸缩弯曲 ， 可以钻进稠密空间 ， 这类机器人可以进行侦查 ， 也可以在地震灾难中深入废墟寻找受害者 。
此外 ， 软体机器人还有更高的环境互动性 ， 它不像刚性材料那样刚硬锋利 ， 哪怕和人发生碰撞 ， 也会有更大的缓冲空间 ， 这也让软体机械吸引了玩具厂商的目光 。 迪士尼研究院（Disney Research）就在尝试将类似神经纤维般的条状传感器缠绕在软体机械内 ， 形成一种“拉伸型传感网络” ， 从而赋予软体机器人“本体感受”的能力 。
虽然软体机器人有着丰富的应用场景和商业潜力 ， 但落地的项目却寥寥无几 。 实验室的产品出现在《Science》、《Nature》等知名学术期刊上 ， 出现在TED最振奋人心的演讲里 ， 可在充斥着传统机器人的“现实世界” ， 却罕见软体机器人的身影 。
问题的根节之一 ， 在于传统机器人的市场占有率的牢靠性和替代成本 。
传统刚性机械的技术累积更完善 ， 提供刚性机械的厂商很多 ， 售后服务体系完善 ， 可以做到低成本的快速部署 。 比如在工业生产领域 ， 厂商面对已有问题 ， 可以通过优化现有自动化设备或增加人力来解决 ， 一位熟悉物料搬运供应链的企业负责人告诉《创造一下》：
“如果软体机械的方案没有特别大的吸引力 ， 或者成本上比人力便宜不了多少 ， 厂商是没有进行技术更换的动力的 ， 一来费时费力 ， 二来新技术还有很多待验证的地方 ， 我们会对该方案持续保持兴趣和观察 ， 指导它更加经济可用为止 。 ” 。
另外一个问题 ， 传统机械的理论基础已非常完善 ， 而软体机器人的技术还是太新 ， 缺乏成熟的方法论 。
从蒸汽时代开始 ， 机械的发展都依赖于刚体运动学理论 ， 里面所涉及的金属、铰链、马达驱动等形成了一个系统 ， 一直沿用至今 。
但这套经典的“模板”在软体机械上并不适用 ， 从基础理论上讲 ， 软体机械可以说是基于仿生学的 。 用于手术的蠕虫机械和用于工业的软性夹具 ， 背后的仿生对象不一样 ， 具体的材质和驱动方式就不尽相同 。
这也就意味着 ， 软体机器人的大规模落地时间可能比预期的要更长 ， 香港科大机械学系教授王煜比喻说：
“这就好像是发明一只铅笔 ， 一开始没有统一的标准 ， 有的笔是直的 ， 有的笔是弯的 ， 有的写得时候需要握 ， 有的直接套在手指上 ， 笔芯材料也不一样 ， 但理论系统被验证后 ， 以后生产的铅笔就都是直的了 ， 你在学校里学了怎么握笔 ， 小卖部里所有的笔你就都可以用 。 软体机器人还处在发展的非常初期的阶段 ， 基本还是大学和实验室在研究 ， 是百花齐放百家争鸣的局面 ， 新点子每天都是 ， 但还没有一个完整的体系 。 什么时候这个体系可以做到经济和适用 ， 软体机器人的推进脚步才能真正加速 。 ”
软体机器人的理论需要很长时间去优化 ， 理论统一后 ， 厂商生产会更容易 ， 标准制定也更容易 ， 用户接受度也会提高 ， 总体来说就是效率的提升 。 ”
整个软体机器人行业还在沉淀 ， 但细分领域的突破已经开始 。
转机出现在2013年 ， 脱离哈佛研究所的Soft Robotics公司利用软体材料和空气动力驱动 ， 打造出了具有软体机械特性的机器夹爪 。
该公司将软体手安装在ABB等公司的工业机械臂末端 ， 变可以快速、准确、“温柔地”地抓取一系列异形和易碎物品 。

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据了解 ， 夹爪是工业生产制造领域应用广泛的一种基础设备 。 根据国际机器人协会（IFR）的调查 ， 全球工业界只解决了3%～4%规则刚性物品的自动化生产搬运问题 ， 剩余96%的柔性异形易损物品仍处于使用人工上下料阶段 。
比如将一定比例的寿司、鱼肉和小食打包进一个塑料餐盒 ， 就成为一份便当 。 在日本 ， 便当在线下杂食店、超市、便利店都非常常见 。 但很多线下店进行备货时 ， 依然要依赖人工 。
另外 ， 在组合汉堡、生产棉花糖、制造pizza面团、包装盒装鸡蛋等任务时 ， 传统机械操作很难抓取 ， 刚性结构也容易导致食品损坏或变形 ， 而软体夹具可以像人类的手一样触碰这些食物 ， 不会破坏形状也不会影响口感 。
这背后是软体夹爪的另一个优势的体现：自适应性 。 王煜教授对此解释说：
“在抓取和操控不规则的物体方面 ， 软体机械有着天然的优势 。 传统机器人抓起一个鸡蛋 ， 需要计算手指和鸡蛋之间的精确距离 ， 还要算出手要放置的确切位置以及需要施加多大力道 。 而软体机械系统就行我们的手拿取物体那样 ， 它可以自然弯曲 ， 非常真实 ， 因此能够自适应地包裹物体 ， 无需提前判断物体精确的尺寸和形状 。 ”
正是软性夹具所具备的高自适应性、低廉的成本、和环境交互的安全性 ， 让它从软体机器人这个类别中脱颖而出 ， 成为整个行业在商业推广上的拓荒者 。


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