《“肌肉”柔性机器人:像人类肌肉一样伸缩》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 姜山
  • 发布时间:2018-01-09
  • 新浪科技讯 开发柔性机器人的目的是创造出在行动上更像人类的机器人,比如能灵敏地抓起脆弱物体而不致把物体捏碎。近日,美国科罗拉多大学博尔德分校的研究者开发出了一种“人工肌肉”,能够模拟人体肌肉的收缩和舒张,为开发更为“自然”的机器人提供了可能。

    研究人员利用能随电压改变的可伸展材料和液体打造了这种人工肌肉——称为“液压放大自愈式静电驱动器”,使机器人能够抓取并握住脆弱的物体,比如树莓。液体和电力信号的结合,可以使人工肌肉做出快速并容易控制的反应,与电动机或液压设备引起的运动方式有很大不同。

    基于不同的设计,这种机械肌肉还可以使机械手臂伸缩自如,或者提起一大瓶水。研究人员的最终目标是研制出能够与人类亲密合作,并且更加安全的机器人,比如能够像人体自然肢体一样活动的假肢。

    或许有朝一日,我们就能见到用这种人工肌肉制成的机器人,它们既动力十足,又十分“温柔”,不必担心在工作时一不小心就造成损伤。

相关报告
  • 《新型铁电材料可变身机器人“肌肉”》

    • 来源专题:先进材料
    • 编译者:李丹
    • 发布时间:2023-07-07
    • 科技日报北京7月3日电 (记者刘霞)美国科学家领导的一个国际研究小组表示,他们研制出的一种新型铁电聚合物,能高效地将电能转化为机械应变,有望成为一种高性能的运动控制器(致动器),在医疗设备、先进机器人和精密定位系统中大显身手,例如作为机器人的“肌肉”等。相关研究论文发表于最近的《自然·材料》杂志。 铁电材料是一类在施加外部电荷时表现出自发电极化的材料。在相变过程中,这些材料中的机械应变可以使其形状等特征发生变化,因此这种材料可用作致动器。致动器指在外力(如电能)作用下能变形的材料。 一般而言,这些致动器很坚硬,但铁电聚合物等软致动器具有更高的灵活性和环境适应性。聚合物是一类由许多相似单元结合在一起形成的材料,DNA和尼龙都是聚合物,铁电聚合物的机械应变比陶瓷等其他铁电材料高得多。此外,铁电聚合物还更柔韧、成本更低、质量更轻,因此在软机器人和柔性电子产品等领域更有前景。 研究团队指出,目前软材料致动领域面临两大挑战:提高软材料的受力以及降低驱动场。为此,他们开发出了一种渗透性铁电聚合物纳米复合物PVDF/TiO_2,这是一种附着在聚合物上的微型贴膜。通过将纳米颗粒掺入聚合物聚偏二氟乙烯内,研究人员在聚合物内创造了一个相互连接的极网络,使铁电聚合物的相变能在比通常所需低得多(10%)的电场下被诱导,因此可用于医疗设备、光学设备和软机器人等需要低驱动场的领域。 研究人员指出,最新研究让人们为软机器人开发“人工肌肉”成为可能,这种新材料更接近人类肌肉,除能承受大的应变外,还能承受高负荷。 论文信息:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01564-7
  • 《哈佛、MIT联合研制柔性人造肌肉,能举起自身1000倍重量物品》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:姜山
    • 发布时间:2017-11-29
    • 雷锋网按: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(见下面的视频),这种人造肌肉受折纸结构启发,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。 (受高强度折纸结构启发的人造肌肉,可以定制成任何形状,并举起超过自身重量1000倍的物品,来源:哈佛大学Wyss研究所) “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(雷锋网注: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。“ 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。雷锋网也将持续关注这一研究的进一步应用。