MIT團(tuán)隊(duì)造出不靠電機(jī)的人工肌肉，有望擺脫伺服電機(jī)

一款又軟又輕、還不用外接設(shè)備的人工肌肉來(lái)了！直徑僅 2mm 的纖維組成的新型人工肌肉竟能舉起 200 倍自重的物體，更重要的是，它在功率密度上實(shí)現(xiàn)了接近生物肌肉的水平。

近期，麻省理工學(xué)院與意大利巴里理工大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在Science Robotics發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于電流體纖維人工肌肉（EFM，Electrofluidic fiber muscles）的研究。

研究人員在一根僅2mm 粗的密封液體軟管中裝上微型電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）泵，通電后能夠像生物肌肉那樣收縮發(fā)力。

然后，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了：這束纖維可舉起 4kg 的物體，功率密度達(dá)50 瓦每千克，收縮應(yīng)變達(dá) 20%，不僅能在 0.3 秒內(nèi)把一個(gè)小球彈射出去，同時(shí)還能與人類柔軟地握手。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵突破在于，解決了機(jī)器人領(lǐng)域重要挑戰(zhàn)：將泵塞進(jìn)纖維內(nèi)部做成閉環(huán)，驅(qū)動(dòng)器不僅兼具靜音、強(qiáng)勁、對(duì)人體友好，還徹底甩掉了過去限制軟體機(jī)器人量產(chǎn)的外部液壓設(shè)備，有望應(yīng)用于可穿戴輔助設(shè)備、柔性外骨骼、人機(jī)協(xié)作機(jī)器人和軟體機(jī)器人等場(chǎng)景。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Robotics）

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以集成到機(jī)器人和假肢等領(lǐng)域。核心原因之一是，其往往需要電機(jī)、外部泵或其他笨重且體積龐大的支撐硬件。工程師們一直在尋找相關(guān)解決方案，希望開發(fā)出具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的仿生材料，例如能夠與生物肌肉力量相當(dāng)、快速響應(yīng)、具有可擴(kuò)展性和強(qiáng)控制力等。

這項(xiàng)研究給出了一套不同于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的解決方案：直接將泵集成到纖維內(nèi)部。EFM 在多個(gè)方面接近于真實(shí)肌肉，并具有足夠的柔韌性，能夠更好地與人體連接且可靜音運(yùn)行。更重要的是，這些纖維可以組合成不同的形狀，來(lái)適配特定的任務(wù)。

圖丨具有可調(diào)架構(gòu)和性能的 EFM（來(lái)源：Science Robotics）

這套新系統(tǒng)的核心在于融合了兩種已有技術(shù)：一種是流體驅(qū)動(dòng)——薄型 McKibben 執(zhí)行器，另一種則是基于 EHD 的微型固態(tài)泵，可在密封的流體腔室內(nèi)產(chǎn)生壓力，無(wú)需移動(dòng)部件或外部流體供應(yīng)。

盡管技術(shù)路線看起來(lái)簡(jiǎn)單，但要將這兩個(gè)具有不同的動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)相結(jié)合，在操作層面仍存在不小的挑戰(zhàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果不解決這個(gè)問題，電壓在達(dá)到約 4 千伏條件時(shí)泵容易崩潰。

于是，他們提出了一個(gè)巧妙的方案：在封閉系統(tǒng)中特意注入過量的液體，并提前為整個(gè)系統(tǒng)施加約 75 千帕的偏置壓力。

這樣做的目的在于，讓兩根對(duì)抗肌同時(shí)處于微繃緊狀態(tài)，不僅可防止因入口處壓力過低引起的氣泡，還能將耐受電壓從 4 千伏提升到超過 8 千伏。從實(shí)現(xiàn)效果來(lái)看，在同樣負(fù)載 2 牛頓力的條件下，施加過偏置壓力的人工肌肉收縮幅度實(shí)現(xiàn)了從 2% 至 14% 的顯著提升。

該系統(tǒng)的另一創(chuàng)新之處在于模塊化設(shè)計(jì)。電驅(qū)動(dòng)和液壓可以像搭建樂高積木一樣進(jìn)行自由組裝，使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與控制上更加靈活。例如，可通過并聯(lián)多個(gè)泵讓液體流量變大的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的提升。

（來(lái)源：麻省理工學(xué)院）

研究團(tuán)隊(duì)通過并聯(lián) 4 個(gè)泵驅(qū)動(dòng)一對(duì)肌肉，實(shí)現(xiàn)了每秒 180mm 的收縮速度，并且完成一次動(dòng)作僅需 0.13 秒，這樣的性能支持在 0.3 秒內(nèi)通過杠桿臂將乒乓球彈射至 24 厘米高度。

再比如，可通過并聯(lián)多根肌肉纖維的方式，來(lái)獲取更大的力氣。在研究中，研究人員將 8 根 EFM 綁在一起，每側(cè)的兩個(gè)泵通過并聯(lián)工作的方式提升流量，兩側(cè)的肌肉束則串聯(lián)形成閉環(huán)回路。結(jié)果顯示，總重量?jī)H 22 克的一束人工肌肉，提起了 4kg 重的物品，行程為 30mm，并在 1,000 次循環(huán)測(cè)試中仍保持性能穩(wěn)定。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還展示了將 EFM 應(yīng)用在可穿戴設(shè)備的可能性。研究人員將這些纖維織成一塊 40cm 長(zhǎng)、6cm 寬的“肌肉織物”，作為機(jī)械臂的肱二頭肌和肱三頭肌。

由于其高柔軟的特性能夠?qū)崿F(xiàn)折疊扭曲，機(jī)械臂在 EFM 的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了 40 多度彎曲。有趣的是，當(dāng)人類與其握手時(shí)，它可以順從地被推開，而這種反向可驅(qū)動(dòng)性正是傳統(tǒng)電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的。

（來(lái)源：麻省理工學(xué)院）

盡管 EFM 表現(xiàn)出相關(guān)性能的優(yōu)勢(shì)，但也需要同時(shí)看到的是，它還不是一個(gè)完美的解決方案。例如，它的能量轉(zhuǎn)化效率并不高，仍需要高壓驅(qū)動(dòng)才能工作，這對(duì)于日常的電源管理方面還有進(jìn)一步完善的空間。

此外，這項(xiàng)研究中用到的氫氟醚液體是一種特殊的氟化液，存在供應(yīng)限制和在一定的環(huán)境影響。因此，研究人員也在探索用非氟化的液體實(shí)現(xiàn)類似效果的可能性。

當(dāng)下，大多數(shù)機(jī)器人仍然以電動(dòng)伺服電機(jī)為主，而電機(jī)本身存在局限性，尤其在人形機(jī)器人領(lǐng)域，其圓柱形的形態(tài)只能安裝在關(guān)節(jié)處，這會(huì)導(dǎo)致的后果是，要想獲得更大的力氣，電機(jī)重量也需要隨之增加，因此整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量集中在某幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。相比之下，纖維狀的人工肌肉能夠更緊密地封裝在機(jī)器人或外骨骼內(nèi)部，并分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中。

這項(xiàng)工作的意義不僅僅是突破某幾個(gè)性能指標(biāo)，例如提起物品的重量、柔韌性和速度方面的提升。更重要的是，它為機(jī)器人執(zhí)行器提供了一條不同于伺服電機(jī)的新路徑。這種纖維形態(tài)的人工肌肉，能夠像真正的肌肉那樣分布在機(jī)器人全身，即便其中幾根遇到問題也可能不影響整體工作。擺脫剛性軀殼的起點(diǎn)，或許就藏在那根 2mm 粗的軟管中。

參考資料：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438

https://www.media.mit.edu/articles/a-new-type-of-electrically-driven-artificial-muscle-fiber/

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍