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目前，美国科罗拉多大学波尔多分校研究人员正在研制下一代机器人，这些机器人由与生物系统更相似的柔性材料而非金属材料构成。今后随着对动态环境的适应以及能够与人类密切互动后，这些柔性机器人将具有巨大潜在应用价值。  一、研究背景 “柔性机器人”领域面临的主要挑战是缺乏可复制真实事物多功能性的制动器，即“人造肌肉”。不过，波尔多分校机械工程系助理教授兼材料科学与工程项目资深研究员克里斯托夫·凯普林格表示，研究人员从生物肌肉的惊人能力中获得灵感。目前，波尔多分校工程与应用科学学院的凯普林格研究小组已研制一种可模仿自然肌肉伸缩的新型柔性电激活装置。 二、“液压放大自愈静电”制动器 研究人员最新研制的“液压放大自愈静电”（HASEL）制动器整合软流体和软静电制动器的优点，兼具以前人造肌肉所不具备的多功能性，可以像生物肌肉一样具有章鱼手臂的适应性、蜂鸟的速度和大象的力量。该装置可由多种低成本材料构成，能够自我感知自身的运动并从电损伤中自愈，这是柔性机器人领域的一项重大进步。HASEL制动器的三种不同设计方案论文分别发表于《科学》和《科学机器人》杂志。  第一种设计方案 由环形弹性壳体组成（填充电绝缘液体，如菜籽油），并且钩在一对相反的电极上。当施加电压时，液体移动并驱动软壳的形状发生变化。作为一种可能的应用案例，研究人员将几个制动器彼此相对放置，在电激活的情况下实现了抓握效果。当关闭电压时，则松开抓握动作。  第二种设计方案 由多层高度可拉伸的离子导体（中间夹了一层液体）组成，并在激活时线性膨胀或收缩，可提起悬浮的一加仑水或弯曲握住棒球的机械手臂。  除用作可实现多功能运动的液压液体外，液体绝缘层的使用还能使HASEL制动器能够从电损伤中自愈。其他由高电压控制的软制动器（也被称为介电弹性制动器）所使用固体绝缘层可能会由于电损伤而造成灾难性后果。相反，HASEL制动器的液体绝缘层在电损伤后能立即恢复其绝缘性能。这种弹性使得研究人员能够可靠地按比例扩大设备，发挥其更大的作用。 凯普林格小组博士生埃里克·阿科姆表示，这是首次研制出每秒可多次提升一加仑水的电动柔性制动器。此外，他表示，操作所需的高电压也是面临的一项重大挑战，不过研究人员正在努力解决这个问题。 HASEL制动器还可以像人的肌肉和神经一样感应环境输入。这些制动器中的电极和电介质组合形成了电容器，电容随着装置的延伸而变化，可以用来确定制动器的张力。研究人员将HASEL制动器连接到机械臂上，演示验证了在感应位置的同时为机械臂供电的能力。 第三种设计方案 第三种设计论文发表于《科学机器人》，称为Peano-HASEL制动器。它由三个装满液体的矩形袋组成，并串联在一起。聚合物外壳由与马铃薯片袋相同的低成本材料制成，轻薄、透明且灵活。在施加电压时，Peano-HASEL设备像生物肌肉一样收缩，因此非常有潜力用于机器人应用。它们的电动运动使其以快于人体肌肉的速度进行操作。  三、研究意义 科普林格研究小组博士生即《科学机器人》研究论文的主要作者尼古拉斯·凯拉里斯表示，这些装置的成本为10美分左右。这些材料成本低、具有扩展性、并且与当前的工业制造技术相兼容。HASEL制动器超过或类似于生物肌肉的强度、速度和效率，其多功能性使类人型机器人和下一代假肢的人造肌肉成为可能。而且该技术的多功能性和简单性使其适用于现在和未来的广泛工业应用。 四、下一步工作 今后研究的重点是进一步优化材料、几何结构和探索先进的制造技术，以继续改进HASEL平台并快速实现其应用。目前，研究人员已经获得了该技术专利并与科罗拉多大学波尔多分校技术转让办公室探索商业应用机会。 来源：美国《航天日报》/图片来自互联网 |
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