美國麻省理工學院聯合國際研究團隊開發出一種人工肌肉纖維，在諸多特性上更接近天然肌肉。與成束構成生物肌肉的纖維一樣，這些纖維可以按不同構型排列，以滿足特定任務的需求。與傳統機器人驅動系統不同，它們具有足夠的柔順性，能與人體舒適地交互，并且無需馬達、外部泵或其他笨重的輔助硬件即可靜音運行。近日，相關研究成果發表在《科學—機器人》上。
論文第一作者、麻省理工學院博士生Ozgun Kilic Afsar解釋說，這項新系統融合了兩種技術：一種是稱為“薄型麥基本驅動器”的流體驅動人工肌肉，另一種是基于電流體動力學的小型化固態泵，這種泵能在密封的流體腔室內產生壓力，且無需運動部件或外部流體供應。
Afsar指出，迄今為止，大多數流體驅動軟體驅動器都依賴外部的“笨重、龐大、往往噪音很大的液壓基礎設施”，這使得它們很難集成到對移動性或緊湊輕量化設計至關重要的系統中。這已成為流體驅動器在實際應用中面臨的根本性瓶頸。
突破這一瓶頸的關鍵在于使用基于電流體動力學原理的集成泵。這些毫米級、電驅動的泵通過向介電流體中注入電荷來產生壓力和流量，從而生成離子并帶動流體運動。每個泵僅重幾克，厚度不比牙簽粗多少，可以連續制造并輕松縮放。Afsar說：“我們將這些纖維泵與薄型麥基本驅動器集成到一個封閉的流體回路中。”她指出，考慮到兩個組件的動態特性不同，這并非易事。
一個關鍵的設計策略是將這些纖維以特殊結構配對。論文通訊作者、意大利巴里理工大學教授Vito Cacucciolo解釋說，這意味著“一塊肌肉收縮而另一塊伸長”，就像當你彎曲手臂時，肱二頭肌收縮而肱三頭肌拉伸。在他們的系統中，一個毫米級的纖維泵位于兩個尺寸相近的麥基本驅動器之間，將流體驅動至一個驅動器使其收縮，同時使另一個驅動器松弛。
Afsar說：“大多數機械臂和人形機器人都是圍繞驅動它們的伺服電機設計的。這帶來了集成上的限制，因為伺服電機難以密集封裝，并且往往將質量集中在它們所驅動的關節附近。相比之下，纖維形式的人工肌肉可以緊密地組裝在機器人或外骨骼內部，并分布在整個結構中，而不是集中在關節附近。”
這些電液肌肉對于可穿戴應用尤其有用，其基本原理也可能具有更廣泛的應用。
這項工作代表了纖維形式軟體驅動領域的重大進展，解決了該領域長期存在的若干難題，特別是在便攜性和功率密度方面。泵中沒有運動部件使這些肌肉能夠靜音運行，這對于假肢裝置和輔助服裝來說是一個重大優勢。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/scirobotics.ady6438