瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出了用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)：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(dòng)時(shí)需要更高靈敏度的地方。

許多機(jī)器人專(zhuān)家夢(mèng)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(dòng)，例如，它們可以像人類(lèi)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(lái)好處：現(xiàn)在的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)通常需要大量能量來(lái)維持一個(gè)位置，而軟系統(tǒng)也可以很好地儲(chǔ)存能量。那么，還有什么比以人類(lèi)肌肉為模型，并嘗試對(duì)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(huì)在電脈沖的作用下收縮。

不過(guò)，人造肌肉不是由細(xì)胞和纖維組成，而是由一個(gè)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(shí)，它們就會(huì)聚在一起，將液體推入小袋的其他部分，小袋就會(huì)彎曲，從而能夠舉起重物。

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

電壓過(guò)高

開(kāi)發(fā)人造肌肉的想法并不新鮮，但直到現(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)這一想法還存在一個(gè)主要障礙：靜電致動(dòng)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(duì)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(kāi)發(fā)出了一種新的解決方案。他們?cè)凇犊茖W(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(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

在卡茨舒曼實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任科學(xué)助理的格拉夫特為小袋設(shè)計(jì)了一個(gè)外殼。研究人員稱(chēng)這種新型人造肌肉為 HALVE 驅(qū)動(dòng)器，HALVE 是 "液壓放大低壓靜電 "的縮寫(xiě)。

"在其他致動(dòng)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(chǔ)相對(duì)較大電能的材料，并將其與一層電極結(jié)合在一起。接下來(lái)，我們?cè)谄浔砻嫱可弦粚泳酆衔锿鈿?，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(shuō)。

這意味著研究人員可以降低所需的電壓，因?yàn)殍F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(kāi)發(fā)了 HALVE 執(zhí)行器的外殼，而且還在實(shí)驗(yàn)室里親手制造了執(zhí)行器，并將其用于兩個(gè)機(jī)器人中。

抓手和魚(yú)展示肌肉的作用

其中一個(gè)機(jī)器人實(shí)例是一個(gè) 11 厘米高、有兩個(gè)手指的機(jī)械手。每根手指都由三個(gè)串聯(lián)的 HALVE 執(zhí)行器小袋驅(qū)動(dòng)。一個(gè)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(gè)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(gè)光滑的塑料物體吊到空中時(shí)，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(gè)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(shuō)。

第二個(gè)物體是一個(gè)像魚(yú)一樣的游泳器，差不多有 30 厘米長(zhǎng)，可以在水中平穩(wěn)地移動(dòng)。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(dòng)器以一定的節(jié)奏交替運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生游泳動(dòng)作。這條自主魚(yú)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(lái)水中。

防水和自密封

第二個(gè)例子非常重要，因?yàn)樗故玖?HALVE 執(zhí)行器的另一個(gè)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(yú)說(shuō)明了這些致動(dòng)器的一個(gè)普遍優(yōu)勢(shì)--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(dòng)器。"Katzschmann 解釋說(shuō)。

小袋的分層結(jié)構(gòu)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：新型致動(dòng)器比其他人造肌肉更加堅(jiān)固耐用。在理想情況下，小袋應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)大量運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)速度要快。然而，即使是最小的生產(chǎn)誤差，如電極間的一?；覊m，也會(huì)導(dǎo)致電氣故障--一種微型雷擊。

"早期的型號(hào)出現(xiàn)這種情況時(shí)，電極會(huì)燃燒，在外殼上形成一個(gè)洞。"Gravert 說(shuō)道。

HALVE 推桿解決了這一問(wèn)題，因?yàn)橛辛怂芰媳Ｗo(hù)外層，單孔基本上可以自動(dòng)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(kāi)發(fā)上邁出決定性的一步，但他們也很現(xiàn)實(shí)。

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

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(shuō)，用于穿戴在人體上的技術(shù)。