軟機器人是具體子機器人處理從高度構建機器人兼容的材料，類似于在活的生物體中發現。

軟機器人技術極大地借鑒了生物體移動并適應周圍環境的方式。與由剛性材料制成的機器人相比，軟機器人可提高靈活性和適應性，以完成任務，并在與人一起工作時提高安全性。這些特性使其在醫學和制造業領域具有潛在的用途。

軟機器人技術的目標是設計和構造具有物理柔性體和電子設備的機器人。有時，柔軟度僅限于機器的一部分。例如，堅固的機械臂可以使用柔軟的末端執行器來輕輕地抓住和操縱精致或不規則形狀的物體。大多數堅固的移動機器人還從戰略上采用了柔軟的組件，例如腳墊來吸收震動或彈性關節，以存儲/釋放彈性能量。但是，軟機器人技術領域通常偏向于主要或完全軟的機器。完全柔軟的機器人具有巨大的潛力。一方面，它們的靈活性使它們可以擠入剛體無法進入的地方，這在救災場景中可能很有用。

大自然通常是軟機器人設計靈感的來源，因為動物本身主要是由軟組件組成的，并且它們似乎利用其軟性在地球上幾乎任何地方的復雜環境中有效移動。因此，軟機器人通常被設計成看起來像熟悉的生物，特別是像章魚這樣的完全軟的生物。但是，鑒于其機械阻抗低，手動設計和控制軟機器人非常困難。使軟機器人受益的是靈活性和合規性，這使得它們難以控制。在過去的幾個世紀中開發的用于設計剛體的數學通常無法擴展到軟機器人。因此，通常通過自動化設計工具（例如進化算法）來部分設計軟機器人，從而使軟機器人的形狀，材料特性和控制器都可以同時針對特定任務自動進行設計和優化。

由于細胞質和外部環境之間的溶質濃度梯度（滲透勢），植物細胞可以固有地產生靜水壓力。此外，植物可以通過離子在細胞膜上的移動來調節濃度。然后，隨著植物對靜水壓力的這種變化做出響應，它會改變植物的形狀和體積。這種壓力衍生的形狀演變對于軟機器人來說是理想的，并且可以通過使用流體流動進行模擬以創建壓力自適應材料。

在創建用于軟機器人的壓力系統時已經利用了這一原理。這些系統由軟質樹脂組成，并包含帶有半透膜的多個液囊。半滲透性允許流體輸送，然后導致壓力產生。流體輸送和壓力產生的這種組合然后導致形狀和體積變化。

另一個生物學上固有的形狀改變機制是吸濕性形狀改變機制。在這種機制下，植物細胞對濕度的變化做出反應。當周圍的空氣濕度高時，植物細胞膨脹，但是當周圍的空氣濕度低時，植物細胞收縮。在花粉粒和松果鱗片中觀察到了這種體積變化。

傳統的制造技術（例如鉆削和銑削等減法技術）在構造軟機器人時無濟于事，因為這些機器人的形狀復雜且具有可變形的主體。因此，已經開發了更先進的制造技術。其中包括形狀沉積制造（SDM），智能復合微結構（SCM）工藝和3D多材料打印。

SDM是一種快速原型制作，因此沉積和加工會循環發生。基本上，一個人沉積一種材料，對其進行加工，嵌入所需的結構，沉積一個用于所述結構的支撐物，然后進一步將產品加工成最終形狀，該最終形狀包括所沉積的材料和嵌入的零件。嵌入式硬件包括電路，傳感器和執行器，科學家已經成功地將控件嵌入聚合物材料中，以創建軟機器人，例如Stickybot 和iSprawl。

SCM是一種將碳纖維增強聚合物（CFRP）的剛性體與柔性聚合物韌帶結合在一起的過程。柔性聚合物充當骨架的接頭。通過此過程，通過使用激光加工，然后進行層壓，可以創建CFRP和聚合物韌帶的集成結構。由于聚合物連接器可作為銷接頭的低摩擦替代品，因此該SCM工藝可用于中規模機器人的生產。

現在，通過Robocasting（也稱為直接墨水書寫（DIW）），可以將3D打印用于印刷各種有機硅墨水。該制造路線允許無縫生產具有局部限定的機械性能的流體彈性體致動器。它進一步實現了數字化制造的氣動硅樹脂執行器，這些執行器具有可編程的生物靈感架構和動作。使用這種方法可以印刷各種功能齊全的機器人，包括彎曲、扭曲、抓握和收縮運動。該技術避免了常規制造路線的一些缺點，例如在膠合零件之間分層。另一種增材制造方法，可生產形狀敏感的，熱活化的或對水敏感的形狀變形材料。本質上，這些聚合物在與水，光或熱相互作用時可以自動改變形狀。通過使用光反應性噴墨印刷到聚苯乙烯靶上來產生形狀變形材料的一個這樣的例子。此外，形狀記憶聚合物已快速原型化，該原型包含兩個不同的組件：骨架和鉸鏈材料。在打印時，將材料加熱到高于鉸鏈材料的玻璃化轉變溫度的溫度。這允許鉸鏈材料變形，同時不影響骨架材料。此外，該聚合物可以通過加熱連續地重整。

所有軟機器人都需要一個致動系統來產生反作用力，以允許其與其環境進行運動和交互。由于這些機器人的柔順性，軟致動系統必須能夠移動，而無需使用會在生物體內充當骨骼的剛性材料或在剛性機器人中常見的金屬框架。然而，存在一些針對軟致動問題的控制解決方案，并且已經找到了其解決方案，每種解決方案都有其優點和缺點。下面列出了一些控制方法和適當材料的示例。

一個示例是利用靜電力，該靜電力可應用于：

• 使用高壓電?場以改變其形狀的介電彈性體致動器（DEA）（工作DEA的示例）。這些執行器可以產生高的力，具有高的比功率（W kg?^-1），產生大的應變（> 1000％），^[14]具有高的能量密度（> 3 MJ m?^-3），表現出自感應，并實現快速啟動速度（10 ms-1 s）。然而，對高壓的需求迅速成為潛在實際應用中的限制因素。此外，這些系統通常會出現泄漏電流，往往會發生電擊穿（介電失效遵循Weibull統計因此，概率會隨著電極面積的增加而增加，并且需要進行預應變才能產生xxx的變形。一些新的研究表明，有一些方法可以克服其中的一些缺點，例如在Peano-HASEL執行器中所示，該執行器包含液體電介質和薄殼組件。這些方法降低了所需的施加電壓，并允許在電擊穿期間進行自我修復。

• 形狀記憶聚合物（SMP）是智能且可重新配置的材料，可作為可用于致動的熱致動的出色示例。這些材料將“記住”其原始形狀，并在溫度升高時恢復為原始形狀。例如，可以在高于其玻璃化轉變溫度（T?_g）或熔融轉變溫度（T?_m）的溫度下使交聯聚合物應變，然后冷卻。當溫度再次升高時，應變將釋放，材料形狀將恢復為原始形狀。當然，這表明只有一個不可逆的運動，但是已經證明材料具有多達5種臨時形狀。形狀記憶聚合物的最簡單和最廣為人知的例子之一是一個名為“ 收縮性丁香”的玩具，該玩具由預拉伸的聚苯乙烯（PS）片材制成，可用于切割加熱時會明顯收縮的形狀。使用這些材料生產的執行器可以達到高達1000％的應變，并且已經證明了在<50 kJ m?^-3到2 MJ m?^-3之間的寬范圍的能量密度。SMP的明顯缺點包括響應速度慢（> 10 s）和產生的力通常較低。SMP的示例包括聚氨酯（PU），聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚環氧乙烷（PEO）等。
• 形狀記憶合金位于用于軟機器人致動的另一個控制系統的背后。盡管彈簧是由金屬制成，傳統上是剛性材料，但彈簧是由非常細的線材制成的，并且與其他軟質材料一樣柔軟。這些彈簧具有很高的力質量比，但是會通過加熱而伸展，這在能量方面是無效的。

• 氣動人造肌肉是軟機器人中使用的另一種控制方法，它依賴于改變軟管內部的壓力。這樣，它將充當肌肉，收縮和伸展，從而對附著的物體施加力。通過使用閥門，機器人可以使用這些肌肉保持給定的形狀，而無需額外的能量輸入。但是，該方法通常需要外部壓縮空氣源才能起作用。比例積分微分（PID）控制器是氣動肌肉最常用的算法。可以通過調整PID控制器的參數來調節氣動肌肉的動態響應。

軟拉伸傳感器通常用于測量機器人的形狀和運動。然后通常將這些測量結果輸入到控制系統中。

可以在醫學界實現軟機器人，特別是用于侵入性手術的機器人。可以制造軟機器人來輔助手術，因為它們具有改變形狀的特性。形狀變化非常重要，因為軟機器人可以通過調整其形狀來在人體的不同結構中導航。這可以通過使用流體致動來實現。

軟機器人還可以用于創建靈活的外衣，用于患者康復，協助老年人或簡單地增強用戶的力量。哈佛大學的一個團隊使用這些材料制作了一件外衣，以充分利用外衣提供的額外強度，而沒有剛性材料如何限制人的自然運動帶來的不利影響。防護服是裝有機動肌肉的金屬框架，可增加穿戴者的力量。機器人服的金屬框架也稱為外骨骼，在某種程度上反映了穿著者的內部骨骼結構。

該防護服可使舉起的物體輕盈，有時甚至失重，從而減少傷害并提高順從性。

傳統上，出于安全考慮，制造機器人已與人類工人隔離開來，因為與機器人碰撞的剛性機器人很容易因機器人的快節奏運動而導致受傷。但是，軟機器人可以安全地與人并肩工作，因為在碰撞中，機器人的順應特性可以防止或xxx程度地減少潛在的傷害。

通過軟機器人進行生物模仿的應用是在海洋或太空探索中。在尋找地球外生命時，科學家需要更多地了解地球外水體，因為水是地球生命的源頭。可以使用軟機器人來模仿可以在水中有效機動的海洋生物。在美國國家航空航天局（NASA）的創新先進概念（NIAC）的資助下，康奈爾大學（Cornell）團隊于2015年嘗試了這樣的項目。小組著手設計一個模仿七lamp鰻或墨魚的軟機器人為了能夠有效地探索木星衛星歐羅巴（Europa）的冰層下的海洋，它以水下方式移動。但是，探索水域，尤其是在另一個星球上的水域，會帶來一系列獨特的機械和材料挑戰。

軟機器人，特別是那些模仿生活的機器人，通常必須承受周期性的載荷才能移動或執行其設計任務。例如，在上述的七lamp魚或烏賊狀機器人的情況下，運動將需要電解水和點燃氣體，從而導致快速膨脹以推動機器人前進。這種重復性和爆炸性的膨脹和收縮會在所選的聚合物材料上產生強烈的循環載荷環境。水下和/或歐羅巴上的機器人幾乎不可能修補或替換，因此需要謹慎選擇一種材料和設計，以xxx程度地減少疲勞裂紋的產生和傳播。特別是，應該選擇具有疲勞極限的材料或應力-振幅頻率，高于該頻率時，聚合物的疲勞響應不再取決于該頻率。

其次，由于軟機器人是由高度兼容的材料制成的，因此必須考慮溫度的影響。材料的屈服應力傾向于隨溫度降低，而在聚合物材料中，這種影響甚至更為極端。在室溫和更高的溫度下，許多聚合物中的長鏈會彼此伸展和滑動，從而防止局部應力集中在一個區域并使材料延展。但大多數聚合物會經歷韌性到脆性的轉變溫度低于此溫度，長鏈就沒有足夠的熱能以這種可延展的方式做出響應，斷裂的可能性更大。實際上，聚合材料在較低溫度下變脆的趨勢被認為是造成航天飛機挑戰者災難的原因，必須非常認真對待，特別是對于將在醫學中實現的軟機器人。韌性到脆性的轉變溫度不一定是“冷”的溫度，實際上是材料本身的特征，取決于其結晶度、韌性、側基尺寸（對于聚合物而言）和其他因素。