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

許多機器人專家夢想制造的機器人不僅是金屬或其他硬質材料與電機的組合，而且更柔軟、適應性更強。軟體機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，并嘗試對其進行再創(chuàng)造更明顯的呢？

因此，人造肌肉的功能是以生物學為基礎的。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)邦理工學院機器人學教授羅伯特-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《科學進展》（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任科學助理的格拉夫特為小袋設計了一個外殼。研究人員稱這種新型人造肌肉為 HALVE 驅動器，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。在我們的產品中，外殼由不同的層組成。我們采用了一種高導鐵電材料，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，并將其用于兩個機器人中。

抓手和魚展示肌肉的作用

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

整個機械手（包括電源和控制電子元件）重 45 克。當用繩索將一個光滑的塑料物體吊到空中時，機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)的目標又邁進了一大步，"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，從而產生游泳動作。這條自主魚可以在 14 秒內從靜止狀態(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，人工肌肉現(xiàn)在可以防水，也可以在導電液體中使用。

"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，不受環(huán)境影響，反之，環(huán)境也受到保護，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。

小袋的分層結構還有另一個優(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，小袋應該能夠實現(xiàn)大量運動，而且運動速度要快。然而，即使是最小的生產誤差，如電極間的一粒灰塵，也會導致電氣故障--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，因為有了塑料保護外層，單孔基本上可以自動關閉。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)模生產這項技術做好準備，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器人、假肢或可穿戴設備；換句話說，用于穿戴在人體上的技術。