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哈工大造出能和象鼻一樣運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人
隨著柔性機(jī)器人的迅速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到，冰冷、僵硬只是我們對(duì)機(jī)器人的刻板印象。近日，國(guó)際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團(tuán)隊(duì)的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/ContracTIle PneumaTIc Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉）。
上述研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，基于氣動(dòng)人工肌肉（PneumaTIc arTIficial muscles，PAMs），研制出了一種新型柔性機(jī)器人。在該研究中，“氣動(dòng)人工肌肉”是一個(gè)核心元素。
氣動(dòng)人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場(chǎng)下通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。
而氣動(dòng)人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)進(jìn)行推拉動(dòng)作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢(shì)。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來(lái)形容它再合適不過了。
實(shí)際上，由于具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結(jié)構(gòu)、與骨骼肌相似的特性，氣動(dòng)人工肌肉在軟體仿生機(jī)器人、變剛度靜水骨骼等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。此外，這類材料在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、軍事、航天、光學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，具有巨大的商業(yè)潛力。
早在 20 世紀(jì) 40 年代，科研人員就開始對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團(tuán)隊(duì)還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當(dāng)期 Science 封面。
哈工大造出柔性機(jī)器人，能和象鼻一樣靈活運(yùn)動(dòng)
近年來(lái)，曾有不少研究團(tuán)隊(duì)受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚、兔子等等的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出多種形態(tài)的柔性機(jī)器人。而此次哈工大研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了新型的柔性機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)指出，氣動(dòng)人工肌肉運(yùn)動(dòng)在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。為此，該團(tuán)隊(duì)在可伸展/收縮的氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。
當(dāng) HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時(shí)，將產(chǎn)生繞軸的彎曲、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使致動(dòng)器產(chǎn)生螺旋變形，類似我們?cè)趧?dòng)物園見過的象鼻彎曲旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)過程。在此基礎(chǔ)之上，研究團(tuán)隊(duì)通過一個(gè)仿象鼻的高自由度柔性臂來(lái)探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負(fù)載能力很強(qiáng)，而 HE-PAMs 可產(chǎn)生更多的變形。
值得一提的是，這一研究提出了統(tǒng)一的理論方法，將會(huì)為其他研究人員提供可靠的參考——該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)、分析，建立了氣動(dòng)人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動(dòng)人工肌肉的特性。據(jù)了解，軸向、彎曲和螺旋氣動(dòng)人工肌肉可以廣泛地應(yīng)用于各個(gè)方向，比如軟體分類機(jī)器人、搜索機(jī)器人、生物機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)輔助外骨骼、力反饋可穿戴設(shè)備等等。
實(shí)際上，人造肌肉材料已成為當(dāng)今研究的前沿和熱門，這與人們對(duì)柔性機(jī)器人領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注密不可分。柔性機(jī)器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，以及良好的人機(jī)互動(dòng)性。相較于剛體材料而言，軟體材料互動(dòng)性好很多，如果用軟體材料做出新的機(jī)器人，可能會(huì)開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。
不過，想要完美地同時(shí)兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個(gè)突破口，比如中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團(tuán)隊(duì)考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
雖然現(xiàn)階段柔性機(jī)器人領(lǐng)域仍比較“概念化”，但其應(yīng)用前景廣泛，未來(lái)必將會(huì)帶來(lái)新的變革。
