你看捻起一颗小红莓的那只手,不,它是「机器肌肉」

编译 | 陈韵竹

作者 | Matt Simon 

来源 | WIRED



唉,可怜的类人机器人,发展了几十年,不但没成为勇猛的「终结者」,反倒像个打了镇静剂的老年人。虽然这些机器人看上去和我们长得很像,但它们的构造和我们截然不同——在机器人关节里电动机驱动着它们笨拙的运动,但人类的肌肉能更精确地控制我们的身体。除非打了镇静剂,我们才不会像机器人一样走得摇摇晃晃。

然而,一个名为柔性机器人技术(soft robotics)的新兴领域似乎能给机器带来更多「自然」的工作。

最近,发表在 Science 和 Science Robotics 中的两篇论文详细介绍了一种灵巧的机器人「肌肉」,实质上是一些靠电力激活的装满油的袋子。这种致动器(即控制机器人移动的部分)就像人类肌肉一样强壮而高效,而且能在每秒钟进行更多次收缩。这种技术可以让义肢运动更加自然;或者在长期造出柔软而强壮的机器人,能在没有一不小心把你干掉的风险下帮你看家护院。

这种新型机器人肌肉被称为「液压驱动的可自修复静电致动器」,又名「hasel」。这类致动器有若干种设计方案,我们在下文中马上会提到。但总而言之,这类致动器都有一个装满油的袋子,袋子一侧由电极包围。给电极加上电压,电极间就会产生一个电场。

Science Robotics 论文的第一作者,科罗拉多大学博尔德分校的机械工程师 Nicholas Kellaris 说:「我们只是利用静电力来移动流体,通过向电极施力把液体泵入油袋的不同部位。」也就是说,hasel 致动器本身向内挤压。「这就是制造压力和运动,将结构变形从而致动的原理。」

如今,还有另外一些利用压缩气体或液体产生运动的软体致动器,但是这些致动器依靠额外的笨重的储存器来存储气体或液体。而 hasel 致动器利用的是致动器自身的柔性袋中的油。其流体不必从贮存器穿过长管作用于致动器,因此能让致动器的反应更快。

举例来说,研究者利用上述原理创造了环形 hasel 致动器。在被电极激活之后,它会变成甜甜圈的形状。Science 论文的第一作者、同样来自科罗拉多大学博尔德分校的机械工程师 Eric Acome 解释道:

「在这种情况下,我们在致动器的一部分施加电场,将液体推到所谓的未激活区。」通过从中间将油推到边缘从而制造一个类似甜甜圈的圆环,致动器就会变厚。把这些致动器堆成两组,每组代表一个「手指」,你就能精妙地抓住一颗树莓却不把它挤爆。(如文章开篇的图片所示)

再比如,你想让机器肌肉举起一些东西。为此,你需要一个由三条平行的油袋组成的矩形致动器。每个油袋上半部分都与电极连接。如果对电极施加电压,致动器会聚拢,并将油挤入袋子的另一半,从而看起来更像一个圆柱体。

这个过程缩短了整个矩形致动器的长度,从而提起了致动器底部的配重。(其实,你在家就可以试试。拿一个密封塑料袋,充进去一点空气,把塑料袋放平,按下其中的一侧,就能把另一端拉向你。)研究者可以将这些致动器堆叠起来,从而获得更大的力量。



所以, hasel 可以凭借骄人的力量和精度,实现举或握的动作。然而,用于驱动的电力是个挑战。电力并不是一种温和的力量——当你用它来控制软体机器人时,这一点尤为显著。这是因为软体机器人中用到的材料相对比较脆弱。

另一种软体致动器的操作原理和 hasel 类似。它利用相对的电极来挤压一块橡胶——但是这有可能会导致短路,那些通过摩擦而在橡胶表面累计起来的电荷会造成灾难性的故障。这就是油作为 hasel 致动器的屏障所能避免的问题。同样来自科罗拉多博尔德的 Tim Morrissey 表示:「电只是经过液体,然后液体瞬间重新分布,再次变得绝缘。因此,设备可以继续运行。」

实际上,与传统的由高度复杂的电机与齿轮箱组成的致动器相比,hasel 的美正在于它相对简洁。「这项工作将激励其他人探索有趣的方法结合不同的软材料创造新的致动器系统。」哈佛大学生物工程师 Cornor Walsh 这样说道。

不过,由于软体机器人比传统机器人脆弱得多,其设计者不得不担心它们一旦被刺穿随即失效(以及将油溅到地板上)的问题。因此,在其正式投入使用之前,软体机器人需要具有自修复能力的皮肤。事实上,某些软体机器人已经能做到了这一点。hasel 致动器的团队正在努力让 hasel 获得相同的能力。

一旦获得鲁棒性,各类软体机器人将会纷纷渗透到我们的生活中。传统僵硬的义肢可能变成更柔软、敏感的义肢。让机器人变得更柔软,能让我们更加安全地与它们并肩工作。这意味着它们不会取代人类的工作——却能补充人类的劳动。软体机器人毋庸置疑会成为我们的同伴,只不过是智能同伴还是智障同伴,仍然需要观望。

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