柔性机器人技术在过去十年内取得了突飞猛进的进展。世界各地的研究人员都试验过不同的材料和设计,从而让刚性的机器人以更自然的方式弯曲和与人类进行互动。然而,增强机器人的灵活性往往意味着在力量上的妥协,因为较柔软的材料一般不如刚性材料具有较高的强度,这也限制了柔性机器人的使用。

而现在,哈佛大学Wyss研究所和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员已经联合研发出了新型的机器人人造肌肉(点此观看视频,来源:哈佛大学Wyss研究所)。这种人造肌肉受高强度折纸结构启发,可以定制成任何形状,能仅凭水和空气让柔性机器举起高达自身重量1000倍的物体。这项研究将在于本周的“美国科学院学报”(PNAS)上发表。

“我们对执行器(俗称”肌肉“)的强大程度感到非常惊讶。我们预计他们会比普通的柔性机器人能举起更高重量,但是我们没有预料到会增加1000倍。就像给这些机器人超能力一样。“本研究论文的高级作者之一、MIT CSAIL主任Daniela Rus教授说。

论文的通讯作者、哈佛大学Wyss研究所的Rob Wood博士补充解释,人造肌肉执行器是所有工程中最重要的挑战之一。“现在我们已经制造出了类似于天然肌肉的执行器,我们可以想象,很快就可以设计出几乎能完成任何任务的机器人了。”

这种人造肌肉由一个内部“骨架”组成,骨架的材料由金属线圈、折叠成特定图案的塑料片或各种材料制成,由空气或流体包围,并密封在如同“皮肤”包裹的塑料或纺织袋内。通过改变袋子内部的真空状态,使皮肤塌陷到骨骼上而引起肌肉的运动,从而产生驱动运动的张力。令人难以置信的是,这当中不需要其他电源或人力输入来指导肌肉的运动,运动完全取决于骨架的形状和组成。

“这些肌肉的不同之处在于它们是可编程的,就是说设计骨架折叠、如何定义整个结构、如何移动。”论文的第一作者,Wyss研究所和麻省理工学院CSAIL的联合博士后李曙光(音译)说:“从本质上讲,你可以不受限制地构建各种运动方式而不需要控制系统。”这种方法使得肌肉非常紧凑和简单,因而也更适合于不能搭载大型或重型器械的移动式或身体式系统。

“在创造机器人的时候,我们总是要问:‘智能体现在哪里?是身体还是大脑’?“Rus教授说。 “将智能集成到机器人体内(注:Rus教授指在其执行器上通过特定的折叠模式)有可能简化机器人实现目标所需的算法。这些执行器都具有相同的简单的开关,可以使得他们的身体转化为各种各样的运动。“

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人造肌肉骨架的结构几何决定了肌肉的运动方式。图片来源:哈佛大学李曙光/Wyss研究所

人造肌肉不仅可以实现多种方式的移动,而且其弹性也令人印象深刻。它们每单位面积产生的能量可以比哺乳动物骨骼肌产生的力量大六倍左右,而且也非常轻便,2.6克肌肉可以举起一个3公斤的物体,这相当于一只野鸭举起了一辆汽车。此外这一技术也很方便易用,实验室人员可以在10分钟内使用价格低于1美元的材料构建单个肌肉,使得它们易于测试和迭代。

这些肌肉可以由真空驱动,这使得它们比大多数其他目前正在测试的人造肌肉更安全。“柔性机器人的许多应用都是以人为中心的,所以当然重要的是要考虑到安全性,”Wyss研究所的论文和研究工程师的合着者Daniel Vogt说。 “这种真空人造肌肉不容易破裂,失败和损伤的风险也较低,而且在操作时不会膨胀,因此您可以将它们整合到与人体更贴合的机器人上。”

除了类似于肌肉的属性,这些柔性驱动器还具有高度的可扩展性。Wood博士称,目前该团队已经制造出从几毫米到一米大小不等的人造肌肉,而它们的性能在各方面都是一样的。这也意味着这种人造肌肉可以用于多种尺度的多种应用,如微型手术器械,可穿戴机器人外骨骼,可变形结构,用于研究或建造的深海操纵器,以及用于太空探索的大型可展开结构等。

该团队还更进一步,从水溶性聚合物PVA中构建出人造肌肉,从而使得让使用这种人造肌肉的机器人可以在自然环境中以最小的环境影响执行任务(例如可移动到身体特定位置的可摄入机器人,然后在那里溶解并释放一种药物)。 “这当中存在无限的可能性,我想用这些肌肉构建的下一个东西是一个大象机器人,它能够像真实的大象那样灵活和强大。“Rus教授笑称。

本研究由国防高级研究院研究计划局(DARPA),国家科学基金会(NSF)和Wyss生物创新工程研究所资助。

(文章转载自雷锋网)