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雷鋒網(wǎng)按：柔性機(jī)器人技術(shù)在過(guò)去十年內(nèi)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。世界各地的研究人員都試驗(yàn)過(guò)不同的材料和設(shè)計(jì)，從而讓剛性的機(jī)器人以更自然的方式彎曲和與人類進(jìn)行互動(dòng)。然而，增強(qiáng)機(jī)器人的靈活性往往意味著在力量上的妥協(xié)，因?yàn)檩^柔軟的材料一般不如剛性材料具有較高的強(qiáng)度，這也限制了柔性機(jī)器人的使用。
而現(xiàn)在，哈佛大學(xué)Wyss研究所和麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的研究人員已經(jīng)聯(lián)合研發(fā)出了新型的機(jī)器人人造肌肉（見下面的視頻），這種人造肌肉受折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)，能僅憑水和空氣讓柔性機(jī)器舉起高達(dá)自身重量1000倍的物體。這項(xiàng)研究將在于本周的“美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)”（PNAS）上發(fā)表。
（受高強(qiáng)度折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)的人造肌肉，可以定制成任何形狀，并舉起超過(guò)自身重量1000倍的物品，來(lái)源：哈佛大學(xué)Wyss研究所）
“我們對(duì)執(zhí)行器（俗稱”肌肉“）的強(qiáng)大程度感到非常驚訝。我們預(yù)計(jì)他們會(huì)比普通的柔性機(jī)器人能舉起更高重量，但是我們沒(méi)有預(yù)料到會(huì)增加1000倍。就像給這些機(jī)器人超能力一樣。“本研究論文的高級(jí)作者之一、MIT CSAIL主任Daniela Rus教授說(shuō)。
論文的通訊作者、哈佛大學(xué)Wyss研究所的Rob Wood博士補(bǔ)充解釋，人造肌肉執(zhí)行器是所有工程中最重要的挑戰(zhàn)之一。“現(xiàn)在我們已經(jīng)制造出了類似于天然肌肉的執(zhí)行器，我們可以想象，很快就可以設(shè)計(jì)出幾乎能完成任何任務(wù)的機(jī)器人了。”
這種人造肌肉由一個(gè)內(nèi)部“骨架”組成，骨架的材料由金屬線圈、折疊成特定圖案的塑料片或各種材料制成，由空氣或流體包圍，并密封在如同“皮膚”包裹的塑料或紡織袋內(nèi)。通過(guò)改變袋子內(nèi)部的真空狀態(tài)，使皮膚塌陷到骨骼上而引起肌肉的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的張力。令人難以置信的是，這當(dāng)中不需要其他電源或人力輸入來(lái)指導(dǎo)肌肉的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)完全取決于骨架的形狀和組成。
“這些肌肉的不同之處在于它們是可編程的，就是說(shuō)設(shè)計(jì)骨架折疊、如何定義整個(gè)結(jié)構(gòu)、如何移動(dòng)。”論文的第一作者，Wyss研究所和麻省理工學(xué)院CSAIL的聯(lián)合博士后李曙光（音譯）說(shuō)：“從本質(zhì)上講，你可以不受限制地構(gòu)建各種運(yùn)動(dòng)方式而不需要控制系統(tǒng)。”這種方法使得肌肉非常緊湊和簡(jiǎn)單，因而也更適合于不能搭載大型或重型器械的移動(dòng)式或身體式系統(tǒng)。
“在創(chuàng)造機(jī)器人的時(shí)候，我們總是要問(wèn)：‘智能體現(xiàn)在哪里？是身體還是大腦’？“Rus教授說(shuō)。 “將智能集成到機(jī)器人體內(nèi)（雷鋒網(wǎng)注：Rus教授指在其執(zhí)行器上通過(guò)特定的折疊模式）有可能簡(jiǎn)化機(jī)器人實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所需的算法。這些執(zhí)行器都具有相同的簡(jiǎn)單的開關(guān)，可以使得他們的身體轉(zhuǎn)化為各種各樣的運(yùn)動(dòng)。“
人造肌肉骨架的結(jié)構(gòu)幾何決定了肌肉的運(yùn)動(dòng)方式。圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)李曙光/ Wyss研究所
人造肌肉不僅可以實(shí)現(xiàn)多種方式的移動(dòng)，而且其彈性也令人印象深刻。它們每單位面積產(chǎn)生的能量可以比哺乳動(dòng)物骨骼肌產(chǎn)生的力量大六倍左右，而且也非常輕便，2.6克肌肉可以舉起一個(gè)3公斤的物體，這相當(dāng)于一只野鴨舉起了一輛汽車。此外這一技術(shù)也很方便易用，實(shí)驗(yàn)室人員可以在10分鐘內(nèi)使用價(jià)格低于1美元的材料構(gòu)建單個(gè)肌肉，使得它們易于測(cè)試和迭代。
這些肌肉可以由真空驅(qū)動(dòng)，這使得它們比大多數(shù)其他目前正在測(cè)試的人造肌肉更安全。“柔性機(jī)器人的許多應(yīng)用都是以人為中心的，所以當(dāng)然重要的是要考慮到安全性，”Wyss研究所的論文和研究工程師的合著者Daniel Vogt說(shuō)。 “這種真空人造肌肉不容易破裂，失敗和損傷的風(fēng)險(xiǎn)也較低，而且在操作時(shí)不會(huì)膨脹，因此您可以將它們整合到與人體更貼合的機(jī)器人上。”
除了類似于肌肉的屬性，這些柔性驅(qū)動(dòng)器還具有高度的可擴(kuò)展性。Wood博士稱，目前該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出從幾毫米到一米大小不等的人造肌肉，而它們的性能在各方面都是一樣的。這也意味著這種人造肌肉可以用于多種尺度的多種應(yīng)用，如微型手術(shù)器械，可穿戴機(jī)器人外骨骼，可變形結(jié)構(gòu)，用于研究或建造的深海操縱器，以及用于太空探索的大型可展開結(jié)構(gòu)等。
該團(tuán)隊(duì)還更進(jìn)一步，從水溶性聚合物PVA中構(gòu)建出人造肌肉，從而使得讓使用這種人造肌肉的機(jī)器人可以在自然環(huán)境中以最小的環(huán)境影響執(zhí)行任務(wù)（例如可移動(dòng)到身體特定位置的可攝入機(jī)器人，然后在那里溶解并釋放一種藥物）。 “這當(dāng)中存在無(wú)限的可能性，我想用這些肌肉構(gòu)建的下一個(gè)東西是一個(gè)大象機(jī)器人，它能夠像真實(shí)的大象那樣靈活和強(qiáng)大。“Rus教授笑稱。
本研究由國(guó)防高級(jí)研究院研究計(jì)劃局（DARPA），國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和Wyss生物創(chuàng)新工程研究所資助。雷鋒網(wǎng)也將持續(xù)關(guān)注這一研究的進(jìn)一步應(yīng)用。
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