想象一个连续软机器人手臂能够围绕一串葡萄或西兰花弯曲，在提升物体时实时调整其抓握力。与传统刚性机器人不同，这些机器人尽量避免与环境接触并远离人类以确保安全，而这种软机器人手臂能够感知微妙的力，以模仿人手般的柔性方式伸展和弯曲。它的每一个动作都经过计算，以避免施加过大的力，同时高效地完成任务。在MIT计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)和信息与决策系统实验室(LIDS)中，这些看似简单的动作是复杂数学、精密工程以及机器人能够安全与人类和 delicate 物体交互愿景的结晶。
软机器人的潜力与挑战
软机器人以其可变形的身体，承诺了一个机器人与人更无缝移动、协助护理或在工业环境中处理 delicate �品的未来。然而，正是这种灵活性使它们难以控制。微小的弯曲或扭动可能产生不可预测的力，增加了损坏或伤害的风险。这促使了对软机器人安全控制策略的需求。
"受刚性机器人安全控制和形式化方法的启发，我们旨在将这些思想适应到软机器人中——建模它们的复杂行为并拥抱而非避免接触——以实现更高性能的设计（例如，更大的负载和精度），而不牺牲安全或嵌入式智能，"作为资深作者和MIT助理教授的Gioele Zardini说道，他是LIDS和土木与环境工程系的主要研究员，也是数据、系统与社会研究所(IDSS)的附属教职员工。"这一愿景与其他群体的近期和并行工作共享。"
安全第一：接触感知安全框架
该团队开发了一个新框架，将非线性控制理论（涉及高度复杂动态系统的控制）与高级物理建模技术和高效实时优化相结合，创造出他们所谓的"接触感知安全"。该方法的核心是高阶控制屏障函数(HOCBFs)和高阶控制李雅普诺夫函数(HOCLFs)。HOCBFs定义了安全操作边界，确保机器人不会施加不安全的力。HOCLFs引导机器人高效地朝向任务目标，平衡安全与性能。
"基本上，我们正在教导机器人在与环境交互时了解自己的限制，同时仍然实现目标，"描述该框架的新论文的作者、MIT机械工程系博士生Kiwan Wong说。"该方法涉及软机器人动力学、接触模型和控制约束的一些复杂推导，但对于从业者来说，控制目标和安全屏障的规范相当简单，结果是相当有形的，正如你看到机器人平稳移动、对接触做出反应，并且从不造成不安全情况。"
技术突破：PCS与DCSAT的结合
underlying 控制策略的是分段Cosserat段(PCS)动力学模型的可微分实现，该模型预测软机器人如何变形以及力的累积位置。该模型使系统能够预测机器人的身体如何响应致动以及与环境的复杂交互。"我最喜欢这项工作的方面是来自不同领域的新旧工具的集成，如高级软机器人模型、可微分模拟、李雅普诺夫理论、凸优化和基于伤害严重程度的安全约束。所有这些都很好地融合到一个完全基于第一原理的实时控制器中，"合著者Cosimo Della Santina说道，他是代尔夫特理工大学副教授。
补充这一点的是可微分保守分离轴定理(DCSAT)，它以可微分的方式估计软机器人与环境障碍物之间的距离，这些障碍物可以用凸多边形链来近似。"早期的凸多边形可微分距离度量要么无法计算穿透深度——对于估计接触力至关重要——要么产生可能危及安全的非保守估计，"Wong说。"相反，DCSAT度量返回严格保守的估计，因此是安全的，同时允许快速和可微分的计算。"PCS和DCSAT共同赋予机器人对其环境的预测感知，以实现更主动、安全的交互。
实验验证与实际应用
LIDS和CSAIL团队在一系列旨在挑战机器人安全性和适应性的实验中测试了该系统。在一个测试中，手臂轻轻按压 compliant 表面，保持精确的力而不超出。在另一个测试中，它追踪弯曲物体的轮廓，调整抓握力以避免滑动。在另一个演示中，机器人与人类操作员一起操作 fragile 物品，实时响应意外的推搡或移动。"这些实验表明，我们的框架能够泛化到不同的任务和目标，机器人能够在复杂场景中感知、适应和行动，同时始终尊重明确界定的安全限制，"Zardini说。
具有接触感知安全的软机器人当然可以在高风险场所带来真正的价值。在医疗保健领域，它们可以协助手术，提供精确操作同时减少患者的风险。在工业中，它们可能在无需持续监督的情况下处理 fragile 商品。在家庭环境中，机器人可以帮助处理家务或护理任务，与儿童或老年人安全互动——这是使软机器人成为现实环境中可靠伙伴的关键一步。
未来发展方向
展望未来，该团队计划将他们的方法扩展到三维软机器人，并探索与基于学习策略的集成。通过将接触感知安全与自适应学习相结合，软机器人可以处理更复杂、不可预测的环境。
"这就是我们工作的令人兴奋之处，"Rus说。"你可以看到机器人以人类般的谨慎方式行为，但在那种优雅背后是一个严格的控制框架，确保它永远不会越界。"
密歇根大学助理教授Daniel Bruder（未参与这项研究）说："由于身体的柔性和吸能特性，软机器人通常比刚性机器人设计上更安全交互。然而，随着软机器人变得更快、更强、更有能力，这可能不再足以确保安全。这项工作通过提供一种限制其整个身体接触力的方法，为确保软机器人能够安全运行迈出了关键一步。"
该团队的部分工作得到了香港赛马会奖学金、欧盟地平线欧洲计划、Cultuurfonds Wetenschapsbeurzen以及Rudge (1948)和Nancy Allen主席职位的支持。他们的工作本月早些时候发表在电气和电子工程师协会的《机器人与自动化快报》上。
MIT开发的软机器人系统展示了在保持安全限制的同时与人类和物体交互的能力。
结论：软机器人安全控制的新范式
这项研究代表了软机器人控制领域的重要突破，通过将数学严谨性与实际应用相结合，创造了一个既安全又高效的系统。随着技术的不断发展，我们可以期待软机器人在更多领域的应用，从医疗保健到家庭服务，它们将成为人类越来越可靠的伙伴。
该系统的核心创新在于它不仅考虑了机器人的物理限制，还主动适应环境变化，确保在完成任务的同时不造成伤害。这种平衡安全与性能的方法，为软机器人的未来发展铺平了道路，使它们能够在现实世界中更广泛地部署。
