新型柔軟的電動裝置模仿自然肌肉的膨脹和收縮

在科羅拉多大學博爾德分校工程中心的地下室，一組研究人員正在努力創(chuàng)造下一代機器人。他們可能想象的不是金屬機器人，而是開發(fā)由與生物系統(tǒng)更相似的軟材料制成的機器人。這種軟機器人在未來的應用中具有巨大的潛力，因為它們適應動態(tài)環(huán)境并且非常適合與人類密切互動。

被稱為“ 軟機器人 ”的這一領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)是缺乏能夠復制真實物體的多功能性和性能的致動器或“ 人造肌肉 ”。然而，工程與應用科學學院的Keplinger研究小組現(xiàn)在開發(fā)了一種新型的軟電動激活裝置，能夠模擬自然肌肉的擴張和收縮。這些裝置可由各種低成本材料構(gòu)成，能夠自我感知其運動并通過電氣損傷進行自愈，這代表了軟機器人的重大進步。

新開發(fā)的液壓放大自愈式靜電(HASEL)執(zhí)行器避開了傳統(tǒng)機器人的龐大剛性活塞和電機，用于軟結(jié)構(gòu)，可對各種運動產(chǎn)生的電壓作出反應。軟裝置可以執(zhí)行各種任務，包括抓住樹莓和生雞蛋等精致物品，以及提升重物。HASEL執(zhí)行器超出或匹配生物肌肉的強度，速度和效率，它們的多功能性可以使人造機器人和下一代假肢的人造肌肉。

今天，HASEL執(zhí)行器的三種不同設(shè)計在科學與科學機器人雜志上發(fā)表的單獨論文中詳細介紹。

“我們從生物肌肉的驚人能力中汲取靈感，”兩篇論文的高級作者，機械工程系助理教授和材料科學與工程項目研究員Christoph Keplinger說。“HASEL執(zhí)行器協(xié)同軟流體和軟靜電執(zhí)行器的優(yōu)勢，因此結(jié)合了多功能性和性能，就像以前沒有其他人造肌肉一樣。就像生物肌肉一樣，HASEL執(zhí)行器可以重現(xiàn)章魚臂的適應性，蜂鳥的速度和大象的力量。“

科學中描述的HASEL裝置的一次迭代由填充有電絕緣液體(例如低芥酸菜子油)的環(huán)形彈性體殼組成，并連接到一對相對的電極上。當施加電壓時，液體移位并驅(qū)動軟殼的形狀變化。作為一種可能的應用的示例，研究人員將這些致動器中的若干個彼此相對地定位并且在電激活時實現(xiàn)了抓握效果。當電壓關(guān)閉時，手柄會松開。

另一種HASEL設(shè)計由多層高度可拉伸的離子導體組成，這些離子導體將一層液體夾在中間，并在激活時線性膨脹和收縮，以提升懸浮的加侖水或彎曲持有棒球的機械臂。

除了用作能夠?qū)??現(xiàn)多種運動的液壓油之外，液體絕緣層的使用使HASEL執(zhí)行器能夠自我修復電氣損壞。其他由高壓控制的軟驅(qū)動器，也稱為介電彈性體驅(qū)動器，使用固體絕緣層，不會因電氣損壞而發(fā)生災難性故障。相反，HASEL致動器的液體絕緣層在電損壞后立即恢復其絕緣特性。這種彈性使研究人員能夠可靠地放大設(shè)備以施加更大的力。

Keplinger集團的博士生Eric Acome說： “能夠制造電動軟驅(qū)動器，能夠每秒多次提升一加侖水，這是我們以前從未見過的。這些演示展示了HASEL令人興奮的潛力。” 科學論文的主要作者。“操作所需的高電壓是向前發(fā)展的挑戰(zhàn)。但是，我們已經(jīng)在努力解決這個問題，并且已經(jīng)在實驗室設(shè)計了使用本文所用電壓的五分之一的設(shè)備。”

HASEL執(zhí)行器還可以感知環(huán)境輸入，就像人體肌肉和神經(jīng)一樣。這些致動器中的電極和電介質(zhì)組合形成電容器。該電容 - 隨著裝置的伸展而變化 - 可用于確定致動器的應變。研究人員將HASEL執(zhí)行器連接到機械臂上，并展示了在同時感應位置的同時為臂提供動力的能力。

第三種設(shè)計，詳見Science Robotics，稱為Peano-HASEL執(zhí)行器，由三個裝有液體的小矩形袋組成，串聯(lián)在一起。聚合物外殼由與馬鈴薯片袋相同的低成本材料制成，并且薄，透明且柔韌。Peano-HASEL設(shè)備在施加電壓時非常接近，就像生物肌肉一樣，這使得它們對于機器人應用尤其具有吸引力。它們的電動機芯允許以超過人體肌肉的速度運行。

HASEL技術(shù)的多功能性和簡單性使其適用于現(xiàn)在和未來的廣泛工業(yè)應用。

“即使是現(xiàn)在，我們也可以制造這些設(shè)備大約10美分，”Nicholas Kellaris說道，他也是Keplinger集團的博士生，也是科學機器人研究的主要作者。“這些材料成本低，可擴展，并與當前的工業(yè)制造技術(shù)兼容。”

未來的研究將嘗試進一步優(yōu)化材料，幾何和探索先進的制造技術(shù)，以便繼續(xù)改進HASEL平臺并快速實現(xiàn)實際應用。

研究人員已獲得該技術(shù)的專利，目前正在CU Boulder技術(shù)轉(zhuǎn)讓辦公室的協(xié)助下探索商業(yè)機會。

“博普林格博士實驗室的研究結(jié)果令人震驚，”CU博爾德工程與應用科學學院院長Bobby Braun說。“他和他的學生團隊正在幫助創(chuàng)造靈活，更人性化的機器人的未來，這些機器人可用于改善人們的生活和福祉。這一系列研究是我們學院的核心，跨學科的力量。”