美國研究人員為柔性機器人研製出可模仿生物肌肉運動的柔性自愈裝置

目前，美國科羅拉多大學波爾多分校研究人員正在研製下一代機器人，這些機器人由與生物系統更相似的柔性材料而非金屬材料構成。今後隨著對動態環境的適應以及能夠與人類密切互動後，這些柔性機器人將具有巨大潛在應用價值。

一、研究背景

「柔性機器人」領域面臨的主要挑戰是缺乏可複製真實事物多功能性的制動器，即「人造肌肉」。不過，波爾多分校機械工程系助理教授兼材料科學與工程項目資深研究員克里斯托夫·凱普林格表示，研究人員從生物肌肉的驚人能力中獲得靈感。目前，波爾多分校工程與應用科學學院的凱普林格研究小組已研製一種可模仿自然肌肉伸縮的新型柔性電激活裝置。

二、「液壓放大自愈靜電」制動器

研究人員最新研製的「液壓放大自愈靜電」（HASEL）制動器整合軟流體和軟靜電制動器的優點，兼具以前人造肌肉所不具備的多功能性，可以像生物肌肉一樣具有章魚手臂的適應性、蜂鳥的速度和大象的力量。該裝置可由多種低成本材料構成，能夠自我感知自身的運動並從電損傷中自愈，這是柔性機器人領域的一項重大進步。HASEL制動器的三種不同設計方案論文分別發表於《科學》和《科學機器人》雜誌。

GIF

第一種設計方案

由環形彈性殼體組成（填充電絕緣液體，如菜籽油），並且鉤在一對相反的電極上。當施加電壓時，液體移動並驅動軟殼的形狀發生變化。作為一種可能的應用案例，研究人員將幾個制動器彼此相對放置，在電激活的情況下實現了抓握效果。當關閉電壓時，則鬆開抓握動作。

GIF

第二種設計方案

由多層高度可拉伸的離子導體（中間夾了一層液體）組成，並在激活時線性膨脹或收縮，可提起懸浮的一加侖水或彎曲握住棒球的機械手臂。

GIF

除用作可實現多功能運動的液壓液體外，液體絕緣層的使用還能使HASEL制動器能夠從電損傷中自愈。其他由高電壓控制的軟制動器（也被稱為介電彈性制動器）所使用固體絕緣層可能會由於電損傷而造成災難性後果。相反，HASEL制動器的液體絕緣層在電損傷後能立即恢復其絕緣性能。這種彈性使得研究人員能夠可靠地按比例擴大設備，發揮其更大的作用。

凱普林格小組博士生埃里克·阿科姆表示，這是首次研製出每秒可多次提升一加侖水的電動柔性制動器。此外，他表示，操作所需的高電壓也是面臨的一項重大挑戰，不過研究人員正在努力解決這個問題。

HASEL制動器還可以像人的肌肉和神經一樣感應環境輸入。這些制動器中的電極和電介質組合形成了電容器，電容隨著裝置的延伸而變化，可以用來確定製動器的張力。研究人員將HASEL制動器連接到機械臂上，演示驗證了在感應位置的同時為機械臂供電的能力。

第三種設計方案

第三種設計論文發表於《科學機器人》，稱為Peano-HASEL制動器。它由三個裝滿液體的矩形袋組成，並串聯在一起。聚合物外殼由與馬鈴薯片袋相同的低成本材料製成，輕薄、透明且靈活。在施加電壓時，Peano-HASEL設備像生物肌肉一樣收縮，因此非常有潛力用於機器人應用。它們的電動運動使其以快於人體肌肉的速度進行操作。

GIF

三、研究意義

科普林格研究小組博士生即《科學機器人》研究論文的主要作者尼古拉斯·凱拉里斯表示，這些裝置的成本為10美分左右。這些材料成本低、具有擴展性、並且與當前的工業製造技術相兼容。HASEL制動器超過或類似於生物肌肉的強度、速度和效率，其多功能性使類人型機器人和下一代假肢的人造肌肉成為可能。而且該技術的多功能性和簡單性使其適用於現在和未來的廣泛工業應用。

四、下一步工作

今後研究的重點是進一步優化材料、幾何結構和探索先進的製造技術，以繼續改進HASEL平台並快速實現其應用。目前，研究人員已經獲得了該技術專利並與科羅拉多大學波爾多分校技術轉讓辦公室探索商業應用機會。

來源：美國《航天日報》/圖片來自互聯網

軍事科學院軍事科學信息研究中心 申淼

如需轉載請註明出處：「國防科技要聞」（ID：CDSTIC）

覺得不錯，請點贊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！