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你看捻起一顆小紅莓的那隻手,不,它是「機器肌肉」

這款名為 hasel 的新型致動器,可以極為精妙地捻起一顆小紅莓,卻不把它擠爆。

編譯 | 陳韻竹

作者 | Matt Simon

來源 | WIRED

唉,可憐的類人機器人,發展了幾十年,不但沒成為勇猛的「終結者」,反倒像個打了鎮靜劑的老年人。雖然這些機器人看上去和我們長得很像,但它們的構造和我們截然不同——在機器人關節里電動機驅動著它們笨拙的運動,但人類的肌肉能更精確地控制我們的身體。除非打了鎮靜劑,我們才不會像機器人一樣走得搖搖晃晃。

然而,一個名為柔性機器人技術(soft robotics)的新興領域似乎能給機器帶來更多「自然」的工作。

最近,發表在 Science 和 Science Robotics 中的兩篇論文詳細介紹了一種靈巧的機器人「肌肉」,實質上是一些靠電力激活的裝滿油的袋子。這種致動器(即控制機器人移動的部分)就像人類肌肉一樣強壯而高效,而且能在每秒鐘進行更多次收縮。這種技術可以讓義肢運動更加自然;或者在長期造出柔軟而強壯的機器人,能在沒有一不小心把你幹掉的風險下幫你看家護院。

這種新型機器人肌肉被稱為「液壓驅動的可自修復靜電致動器」,又名「hasel」。這類致動器有若干種設計方案,我們在下文中馬上會提到。但總而言之,這類致動器都有一個裝滿油的袋子,袋子一側由電極包圍。給電極加上電壓,電極間就會產生一個電場。

Science Robotics 論文的第一作者,科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師 Nicholas Kellaris 說:「我們只是利用靜電力來移動流體,通過向電極施力把液體泵入油袋的不同部位。」也就是說,hasel 致動器本身向內擠壓。「這就是製造壓力和運動,將結構變形從而致動的原理。」

如今,還有另外一些利用壓縮氣體或液體產生運動的軟體致動器,但是這些致動器依靠額外的笨重的儲存器來存儲氣體或液體。而 hasel 致動器利用的是致動器自身的柔性袋中的油。其流體不必從貯存器穿過長管作用於致動器,因此能讓致動器的反應更快。

舉例來說,研究者利用上述原理創造了環形 hasel 致動器。在被電極激活之後,它會變成甜甜圈的形狀。Science 論文的第一作者、同樣來自科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師 Eric Acome 解釋道:

「在這種情況下,我們在致動器的一部分施加電場,將液體推到所謂的未激活區。」通過從中間將油推到邊緣從而製造一個類似甜甜圈的圓環,致動器就會變厚。把這些致動器堆成兩組,每組代表一個「手指」,你就能精妙地抓住一顆樹莓卻不把它擠爆。(如文章開篇的圖片所示)

再比如,你想讓機器肌肉舉起一些東西。為此,你需要一個由三條平行的油袋組成的矩形致動器。每個油袋上半部分都與電極連接。如果對電極施加電壓,致動器會聚攏,並將油擠入袋子的另一半,從而看起來更像一個圓柱體。

這個過程縮短了整個矩形致動器的長度,從而提起了致動器底部的配重。(其實,你在家就可以試試。拿一個密封塑料袋,充進去一點空氣,把塑料袋放平,按下其中的一側,就能把另一端拉向你。)研究者可以將這些致動器堆疊起來,從而獲得更大的力量。

所以, hasel 可以憑藉驕人的力量和精度,實現舉或握的動作。然而,用於驅動的電力是個挑戰。電力並不是一種溫和的力量——當你用它來控制軟體機器人時,這一點尤為顯著。這是因為軟體機器人中用到的材料相對比較脆弱。

另一種軟體致動器的操作原理和 hasel 類似。它利用相對的電極來擠壓一塊橡膠——但是這有可能會導致短路,那些通過摩擦而在橡膠表面累計起來的電荷會造成災難性的故障。

這就是油作為 hasel 致動器的屏障所能避免的問題。同樣來自科羅拉多博爾德的 Tim Morrissey 表示:「電只是經過液體,然後液體瞬間重新分布,再次變得絕緣。因此,設備可以繼續運行。」

實際上,與傳統的由高度複雜的電機與齒輪箱組成的致動器相比,hasel 的美正在於它相對簡潔。「這項工作將激勵其他人探索有趣的方法結合不同的軟材料創造新的致動器系統。」哈佛大學生物工程師 Cornor Walsh 這樣說道。

不過,由於軟體機器人比傳統機器人脆弱得多,其設計者不得不擔心它們一旦被刺穿隨即失效(以及將油濺到地板上)的問題。因此,在其正式投入使用之前,軟體機器人需要具有自修復能力的皮膚。事實上,某些軟體機器人已經能做到了這一點。hasel 致動器的團隊正在努力讓 hasel 獲得相同的能力。

一旦獲得魯棒性,各類軟體機器人將會紛紛滲透到我們的生活中。傳統僵硬的義肢可能變成更柔軟、敏感的義肢。讓機器人變得更柔軟,能讓我們更加安全地與它們並肩工作。這意味著它們不會取代人類的工作——卻能補充人類的勞動。軟體機器人毋庸置疑會成為我們的同伴,只不過是智能同伴還是智障同伴,仍然需要觀望。

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