行业周观察|颠覆百年传统的软体机器人

2020-09-25

5.jpg

它创造了一种全新的机器形态,酝酿着无数可能。


受“创造一下”媒体专访

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。



“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。





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。



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。


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。



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。



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。


电话
咨询

收藏

TOP