瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了用于機(jī)器人運動的人造肌肉。該學(xué)院研究人員表示，與之前的技術(shù)相比，他們的解決方案具有多項優(yōu)勢：它可用于機(jī)器人需要柔軟而非僵硬的地方，或機(jī)器人與環(huán)境互動時需要更高靈敏度的地方。

許多機(jī)器人專家夢想制造的機(jī)器人不僅是金屬或其他硬質(zhì)材料與電機(jī)的組合，而且更柔軟、適應(yīng)性更強(qiáng)。軟體機(jī)器人可以以完全不同的方式與環(huán)境互動，例如，它們可以像人類四肢那樣緩沖撞擊，或巧妙地抓住物體。

這也將在能源消耗方面帶來好處：現(xiàn)在的機(jī)器人運動通常需要大量能量來維持一個位置，而軟系統(tǒng)也可以很好地儲存能量。那么，還有什么比以人類肌肉為模型，并嘗試對其進(jìn)行再創(chuàng)造更明顯的呢？

因此，人造肌肉的功能是以生物學(xué)為基礎(chǔ)的。與天然肌肉一樣，人造肌肉也會在電脈沖的作用下收縮。

不過，人造肌肉不是由細(xì)胞和纖維組成，而是由一個充滿液體（通常是油）的小袋組成，小袋的外殼部分覆蓋著電極。

當(dāng)這些電極接收到電壓時，它們就會聚在一起，將液體推入小袋的其他部分，小袋就會彎曲，從而能夠舉起重物。

單個液袋就好比一束短短的肌肉纖維；幾個液袋可以連接起來，形成一個完整的推進(jìn)元件，這也被稱為致動器或簡單的人造肌肉。

電壓過高

開發(fā)人造肌肉的想法并不新鮮，但直到現(xiàn)在，實現(xiàn)這一想法還存在一個主要障礙：靜電致動器只能在大約 6000 到 10000 伏特的極高電壓下工作。

這一要求造成了一些后果：例如，肌肉必須連接到又大又重的電壓放大器上；它們不能在水中工作；它們對人體也不完全安全。

現(xiàn)在，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)教授羅伯特-卡茨施曼（Robert Katzschmann）與斯蒂芬-丹尼爾-格拉弗特（Stephan-Daniel Gravert）、埃利亞-瓦里尼（Elia Varini）和其他同事一起開發(fā)出了一種新的解決方案。他們在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上發(fā)表了他們的人工肌肉版本，該版本具有多項優(yōu)勢。

在卡茨舒曼實驗室擔(dān)任科學(xué)助理的格拉夫特為小袋設(shè)計了一個外殼。研究人員稱這種新型人造肌肉為 HALVE 驅(qū)動器，HALVE 是 "液壓放大低壓靜電 "的縮寫。

"在其他致動器中，電極位于外殼外部。在我們的產(chǎn)品中，外殼由不同的層組成。我們采用了一種高導(dǎo)鐵電材料，即一種可以存儲相對較大電能的材料，并將其與一層電極結(jié)合在一起。接下來，我們在其表面涂上一層聚合物外殼，這種外殼具有出色的機(jī)械性能，能使小袋更加穩(wěn)定。"Gravert 解釋說。

這意味著研究人員可以降低所需的電壓，因為鐵電材料的介電常數(shù)要高得多，盡管電壓很低，也能產(chǎn)生很大的力。Gravert 和 Varini 不僅共同開發(fā)了 HALVE 執(zhí)行器的外殼，而且還在實驗室里親手制造了執(zhí)行器，并將其用于兩個機(jī)器人中。

抓手和魚展示肌肉的作用

其中一個機(jī)器人實例是一個 11 厘米高、有兩個手指的機(jī)械手。每根手指都由三個串聯(lián)的 HALVE 執(zhí)行器小袋驅(qū)動。一個小型電池供電裝置為機(jī)器人提供 900 伏電壓。電池和電源加在一起僅重 15 克。

整個機(jī)械手（包括電源和控制電子元件）重 45 克。當(dāng)用繩索將一個光滑的塑料物體吊到空中時，機(jī)械手可以牢牢地抓住該物體，足以支撐其自身的重量。

"這個例子充分展示了 HALVE 執(zhí)行器的小巧、輕便和高效。這也意味著，我們距離創(chuàng)建集成肌肉操作系統(tǒng)的目標(biāo)又邁進(jìn)了一大步，"Katzschmann 滿意地說。

第二個物體是一個像魚一樣的游泳器，差不多有 30 厘米長，可以在水中平穩(wěn)地移動。它由裝有電子設(shè)備的 "頭部 "和連接 HALVE 執(zhí)行器的柔性 "身體 "組成。

這些致動器以一定的節(jié)奏交替運動，從而產(chǎn)生游泳動作。這條自主魚可以在 14 秒內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)游到每秒 3 厘米的速度--這還是在普通的自來水中。

防水和自密封

第二個例子非常重要，因為它展示了 HALVE 執(zhí)行器的另一個新特性：由于電極不再置于外殼之外不受保護(hù)，人工肌肉現(xiàn)在可以防水，也可以在導(dǎo)電液體中使用。

"這條魚說明了這些致動器的一個普遍優(yōu)勢--電極受到保護(hù)，不受環(huán)境影響，反之，環(huán)境也受到保護(hù)，不受電極影響。因此，您可以在水中操作或觸摸這些靜電致動器。"Katzschmann 解釋說。

小袋的分層結(jié)構(gòu)還有另一個優(yōu)點：新型致動器比其他人造肌肉更加堅固耐用。在理想情況下，小袋應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大量運動，而且運動速度要快。然而，即使是最小的生產(chǎn)誤差，如電極間的一粒灰塵，也會導(dǎo)致電氣故障--一種微型雷擊。

"早期的型號出現(xiàn)這種情況時，電極會燃燒，在外殼上形成一個洞。"Gravert 說道。

HALVE 推桿解決了這一問題，因為有了塑料保護(hù)外層，單孔基本上可以自動關(guān)閉。因此，即使在發(fā)生電氣故障后，小袋通常仍能完全正常工作。

兩位研究人員顯然很高興能在人造肌肉的開發(fā)上邁出決定性的一步，但他們也很現(xiàn)實。

正如卡茨施曼所說："現(xiàn)在我們必須為大規(guī)模生產(chǎn)這項技術(shù)做好準(zhǔn)備，而在 ETH 實驗室里我們無法做到這一點。在不透露太多情況的前提下，我可以說，我們已經(jīng)收到了一些公司希望與我們合作的意向書。"

例如，人造肌肉有朝一日可以用于新型機(jī)器人、假肢或可穿戴設(shè)備；換句話說，用于穿戴在人體上的技術(shù)。