哈弗大學在造黑科技！人造肌肉，可造大白機器人
哈佛大學開發出人造肌肉，成就「柔性機器人」
像好萊塢大片《超能陸戰隊》中的機器人「大白」一樣，「柔性」機器人（Soft robots）有許多優點。但柔性機器人往往存在一個問題——他們太慢了！
控制驅使「柔性」機器人進行各種預定動作的人造肌肉叫做執行器。現有的執行器通常由液壓或氣壓傳動，有響應慢、能量儲存難等缺點。
介電彈性體作為絕緣性能良好的柔性材料可以代替氣壓執行器。然而，現有的介電彈性體需要複雜和低效的電路為其提供高電壓，以及剛性部件來維持其形態——這兩點都與柔性機器人的初衷背道而馳。
現在，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科研人員開發出了一種新型介電彈性體，並在《高等材料》（Advanced Materials）上發表了他們的科研成果。
這種新型材料只需要很低的電壓支持，而且不需要剛性部件，就可以實現大範圍的運動。
「我們認為這種材料有潛力成為製造柔性機器人的理想材料，」SEAS的研究生、同時也是論文的第一作者的米舒·杜圖塔（MishuDuduta）如是說，「電力易於儲存和傳遞，但此前的問題是，驅動柔性機器人執行器所需的電場太強。我們的研究通過降低驅動電壓、提高能量密度，並去除剛性部件，成功解決了柔性執行器領域的許多問題。」
圖中為使用柔軟、可延展的彈性體和碳納米管電極夾層結構製造的人造肌肉。此類執行器可應用於製造可穿戴設備、柔性夾具、外科手術工具、柔性機器人以及其他機器人的柔性部件。
杜圖塔的論文共同作者還包括哈佛大學工程與應用科學學院教授羅伯特·伍德（Robert Wood）以及材料學教授大衛·克拉克（David Clarke）。在研發該新型介電彈性體的過程中，杜圖塔所在的團隊結合了兩種單獨使用時都表現良好的現有的材料。其中一種是基於加州大學洛杉磯分校（UCLA）研發的成果開發的無需剛性結構的彈性體，另一種是克拉克實驗室開發的碳納米管電極。這兩種材料的特性互補，進而使新材料的性能優於傳統的介電彈性體執行器。
此前，大部分介電彈性體的運動範圍有限，並且需要被預拉伸，以及需要被連接到剛性框架。基於加州大學洛杉磯分校研發的一種無需被預拉伸的彈性體，這種優化後的新材料初始為液態，並可在紫外光下迅速固化進而製成和薄如紙的薄片。這些薄片像雙面膠帶一樣具有粘性，因而不僅可以很好地彼此貼合，還可以讓電極附著其上。
在電極方面，杜圖塔所在的團隊用一層薄薄的碳納米管取代了傳統介電彈性體中充當電極的碳潤滑脂。由於納米管既不會增加彈性體的硬度，也不會降低能量密度，它在保證了彈性體延展性的同時，也為其提供強大的動力。
該團隊將這樣的彈性體疊放在一起，從而製成了一個彈性體-電極-彈性體不斷交替的多層夾層結構。由此，每一層電極對其上下兩層的彈性體都能起到雙向驅動作用。
圖中為使用柔軟、可延展的彈性體和碳納米管電極夾層結構製造的人造肌肉。此類執行器可應用於製造可穿戴設備、柔性夾具、外科手術工具、柔性機器人以及其他機器人的柔性部件。
關於新材料的意義，杜圖塔解釋說，「驅動介電彈性體的電壓與材料的厚度直接相關。因此，為了降低電壓，就要把介電彈性體做得儘可能的薄，但過薄的彈性體很脆弱，並且無法產生足夠的作用力。」
另外，論文的共同作者之一克拉克也指出， 「我們工作的意義在於，通過對兩種材料的結合與加工，突破了當下介電彈性材料的兩個技術難題——即對於高電壓和預拉伸的需求。」
杜圖塔指出，他們研發的新型執行器可應用於製造可穿戴設備、柔性夾具、外科手術工具、柔性機器人以及其他機器人的柔性部件。
論文的另一共同作者伍德指出，「驅動技術是機器人技術面臨的最大挑戰之一。」 伍德表示，絕大多數現有的機器人依靠傳統的電磁迴轉馬達驅動。在無法使用這類馬達的情況下，比如柔性機器人，幾乎找不到其他高性能驅動技術作為替代。
此次，在電控柔性執行器研究上的突破，讓我們距離工程系統中仿生肌肉執行器的出現更近了一步，也為柔性機器人打開了實用性的大門。
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