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人造肌肉

工程技术人造肌肉

在机器人技术的重大进步中,首次成功设计了具有“柔软”类人肌肉的机器人。 这种软机器人可以成为未来设计人类友好机器人的福音。

机器人是可编程机器,通常用于工业应用,例如作为自动化的一部分,尤其是制造业,因为它们被设计为擅长需要大量力量和力量的重复性任务。 机器人通过其中的传感器和执行器与物理世界交互,并且它们是可重新编程的,使它们比常规的单功能机器更有用和更灵活。 从这些机器人的设计方式可以明显看出,它们的运动非常僵硬,有时像机器一样生涩,而且很重,很有冲击力,当特定任务在不同时间需要不同大小的力时,它们就没有用了。点。 机器人有时也很危险,可能需要安全的外壳,因为它们对周围环境不敏感。 机器人领域正在探索各种学科,以在具有不同要求的工业和医疗技术的各个领域中设计、构建、编程和有效使用机器人机器。

在克里斯托夫·凯普林格 (Christoph Keplinger) 领导的近期双胞胎研究中,研究人员为机器人配备了一种与人类肌肉非常相似的新型肌肉,它们与我们一样拥有和投射力量和敏感性。 中心思想是为机器(即机器人)提供更“自然”的运动。 今天所有机器人中 99.9% 是由钢或金属制成的刚性机器,而生物体很软,但具有令人难以置信的能力。 这些具有“柔软”或“更真实”肌肉的机器人可以适当地设计成执行日常和精细的任务(人类肌肉每天都在执行),例如只是捡起柔软的水果或将鸡蛋放入篮子里。 与传统机器人相比,机器人配备了“人造肌肉' 将像他们自己的“软”版本并且更安全,然后它们可以被定制以在人们附近执行几乎任何任务,这表明了与人类生活相关和围绕人类生活的几种可能的应用。 软机器人可以被称为“协作”机器人,因为它们将经过独特设计,以与人类非常相似的方式执行特定任务。

研究人员一直在尝试制造软肌肉机器人。 这样的机器人需要一个柔软的 肌肉 模拟人体肌肉的技术,研究人员已经尝试了两种这样的技术——气动执行器和介电弹性体执行器。 “执行器”被定义为移动机器人的实际设备,或机器人显示特定运动。 在气动执行器中,软袋被泵入气体或流体以产生特定的运动。 这是简单的设计,但仍然强大,尽管泵不切实际并且它们有庞大的水库。 第二种技术——介电弹性体致动器使用的概念是在绝缘柔性塑料上施加电场,使其变形,从而产生运动。 这两种技术本身还没有成功,因为当一束电穿过塑料时,这些设备会严重失效,因此不能抵抗机械损坏。

更多具有相似肌肉的“类人”机器人

在双胞胎研究中报道 科学1 and 科学机器人2,研究人员利用两种可用的软肌肉技术的积极方面,创造了一种简单的类似软肌肉的执行器,它使用电力来改变小袋内液体的运动。 这些柔性聚合物袋包含绝缘液体,例如来自超市的普通油(植物油或菜籽油),或者可以使用任何类似的液体。 一旦在放置在袋子两侧之间的水凝胶电极之间施加电压,两侧就会相互吸引,就会发生油痉挛,挤压其中的液体并使其在袋子内流动。 这种张力会造成人为的肌肉收缩,一旦断电,油就会再次松弛,模仿 人造的 肌肉放松。 致动器以这种方式改变形状,并且与致动器连接的物体显示出运动。 因此,这种“人造肌肉”以与真正的人体骨骼肌肉相同的方式、相同的精度和力量在几毫秒内立即收缩和释放(弯曲)。 这些运动甚至可以超过人类肌肉反应的速度,因为人类肌肉同时与大脑进行交流,从而导致延迟,尽管不明显。 因此,通过这种设计,实现了一种具有直接电气控制的流体系统,具有多功能性和高性能。

在第一个研究中1 in 科学, 执行器被设计成甜甜圈的形状,它们有能力和灵巧地通过机器人抓手捡起和抓住覆盆子(而不是爆炸水果!)。 电流通过绝缘液体时可能造成的损坏(以前设计的执行器的一个主要问题)在当前设计中也得到了照顾,任何电气损坏都可以自行修复或由新的立即修复液体通过简单的再分配过程流入“损坏”部分。 这归因于使用了更具弹性的液体材料,而不是许多以前设计中使用的固体绝缘层,这种绝缘层会立即损坏。 在这个过程中,人造肌肉经受住了超过一百万次的收缩循环。 这个特殊的执行器,呈甜甜圈形状,很容易就能摘到一个覆盆子。 类似地,通过定制这些弹性袋的形状,研究人员创造了各种具有独特运动的执行器,例如甚至以精确和准确的所需力捡起易碎的鸡蛋。 这些灵活的肌肉被称为“液压放大自愈静电”执行器,或 HASEL 执行器。在第二项研究中2 发表于 科学机器人同一个团队进一步创造了另外两种线性收缩的软肌肉设计,非常类似于人类的二头肌,因此能够反复举起比自身重量更重的物体。

A 普遍的看法是,机器人是机器,所以肯定比人类有优势,但是,说到肌肉给我们带来的惊人能力,只能说机器人相形见绌。 人类的肌肉非常强大,我们的大脑对我们的肌肉有着非凡的控制能力。 这就是人类肌肉能够精确执行复杂任务(例如书写)的原因。 我们的肌肉在做繁重的任务时会反复收缩和放松,据说我们实际上只使用了大约 65% 的肌肉能力,而这个极限主要是由我们的思维决定的。 如果我们能想象一个拥有像人一样柔软肌肉的机器人,那力量和能力将是巨大的。 这些研究被视为开发致动器的第一步,该致动器有可能实现真正生物肌肉的巨大能力。

具有成本效益的“软”机器人

作者表示,薯片聚合物袋、油甚至电极等材料价格低廉且易于获得,成本仅为 0.9 美元(或 10 美分)。 这对当前的工业制造单位和研究人员来说是鼓舞人心的,以进一步提高他们的专业知识。 低成本的材料可扩展并与当前的行业实践兼容,此类设备可用于许多应用,如假肢设备,或作为人类伴侣。 这是一个特别有趣的方面,因为术语机器人技术总是等同于高成本。 与这种人造肌肉相关的一个缺点是其运行需要大量电力,如果机器人储备过多的电力,也有可能燃烧。 软机器人远比传统机器人更精致,这使得它们的设计更具挑战性,例如刺穿、失去动力和漏油的可能性。 这些软机器人肯定需要某种自我修复的方面,就像许多软机器人已经做到的那样。

高效而强大的软机器人在人类生活中非常有用,因为它们可以补充人类并像“协作”机器人而不是取代人类的机器人一样与人类一起工作。 此外,传统的假肢可能更柔软、更舒适、更灵敏。 这些研究很有前景,如果能够解决对电力的高需求,就有可能在机器人的设计和移动方式方面彻底改变机器人的未来。

***

{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

1. 阿科姆等人。 2018. 具有类似肌肉性能的液压放大自愈静电执行器。 科学。 359(6371)。 https://doi.org/10.1126/science.aao6139

2. Kellaris 等人。 2018. Peano-HASEL 致动器:肌肉模拟、电液换能器,在激活时线性收缩。 科学机器人. 3(14)。 https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276

赛欧团队
赛欧团队https://www.ScientificEuropean.co.uk
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