新型柔軟的電動(dòng)裝置模仿自然肌肉的膨脹和收縮

在科羅拉多大學(xué)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(jī)器人。他們可能想象的不是金屬機(jī)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(jī)器人。這種軟機(jī)器人在未來的應(yīng)用中具有巨大的潛力，因?yàn)樗鼈冞m應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境并且非常適合與人類密切互動(dòng)。

被稱為“ 軟機(jī)器人 ”的這一領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)是缺乏能夠復(fù)制真實(shí)物體的多功能性和性能的致動(dòng)器或“ 人造肌肉 ”。然而，工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Keplinger研究小組現(xiàn)在開發(fā)了一種新型的軟電動(dòng)激活裝置，能夠模擬自然肌肉的擴(kuò)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(yùn)動(dòng)并通過電氣損傷進(jìn)行自愈，這代表了軟機(jī)器人的重大進(jìn)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(jī)器人的龐大剛性活塞和電機(jī)，用于軟結(jié)構(gòu)，可對(duì)各種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓作出反應(yīng)。軟裝置可以執(zhí)行各種任務(wù)，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(qiáng)度，速度和效率，它們的多功能性可以使人造機(jī)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(jì)在科學(xué)與科學(xué)機(jī)器人雜志上發(fā)表的單獨(dú)論文中詳細(xì)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(jí)作者，機(jī)械工程系助理教授和材料科學(xué)與工程項(xiàng)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(shì)，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(yīng)性，蜂鳥的速度和大象的力量。“

科學(xué)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(duì)相對(duì)的電極上。當(dāng)施加電壓時(shí)，液體移位并驅(qū)動(dòng)軟殼的形狀變化。作為一種可能的應(yīng)用的示例，研究人員將這些致動(dòng)器中的若干個(gè)彼此相對(duì)地定位并且在電激活時(shí)實(shí)現(xiàn)了抓握效果。當(dāng)電壓關(guān)閉時(shí)，手柄會(huì)松開。

另一種HASEL設(shè)計(jì)由多層高度可拉伸的離子導(dǎo)體組成，這些離子導(dǎo)體將一層液體夾在中間，并在激活時(shí)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(jī)械臂。

除了用作能夠?qū)??現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)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(fù)電氣損壞。其他由高壓控制的軟驅(qū)動(dòng)器，也稱為介電彈性體驅(qū)動(dòng)器，使用固體絕緣層，不會(huì)因電氣損壞而發(fā)生災(zāi)難性故障。相反，HASEL致動(dòng)器的液體絕緣層在電損壞后立即恢復(fù)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(tuán)的博士生Eric Acome說： “能夠制造電動(dòng)軟驅(qū)動(dòng)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(xué)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(gè)問題，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)器的應(yīng)變。研究人員將HASEL執(zhí)行器連接到機(jī)械臂上，并展示了在同時(shí)感應(yīng)位置的同時(shí)為臂提供動(dòng)力的能力。

第三種設(shè)計(jì)，詳見Science Robotics，稱為Peano-HASEL執(zhí)行器，由三個(gè)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(shí)非常接近，就像生物肌肉一樣，這使得它們對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用尤其具有吸引力。它們的電動(dòng)機(jī)芯允許以超過人體肌肉的速度運(yùn)行。

HASEL技術(shù)的多功能性和簡(jiǎn)單性使其適用于現(xiàn)在和未來的廣泛工業(yè)應(yīng)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(tuán)的博士生，也是科學(xué)機(jī)器人研究的主要作者。“這些材料成本低，可擴(kuò)展，并與當(dāng)前的工業(yè)制造技術(shù)兼容。”

未來的研究將嘗試進(jìn)一步優(yōu)化材料，幾何和探索先進(jìn)的制造技術(shù)，以便繼續(xù)改進(jìn)HASEL平臺(tái)并快速實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)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(jī)會(huì)。

“博普林格博士實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果令人震驚，”CU博爾德工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)Bobby Braun說。“他和他的學(xué)生團(tuán)隊(duì)正在幫助創(chuàng)造靈活，更人性化的機(jī)器人的未來，這些機(jī)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(xué)院的核心，跨學(xué)科的力量。”