柔软 自我修复的设备模仿生物肌肉

在科罗拉多大学博尔德分校工程中心的地下室，一组研究人员正在努力创造下一代机器人。他们可能想象的不是金属机器人，而是开发由与生物系统更相似的软材料制成的机器人。这种软机器人在未来应用中具有巨大的潜力，因为它们适应动态环境并且非常适合与人类密切互动。

被称为“软机器人”的这一领域的核心挑战是缺乏能够复制真实物体的多功能性和性能的致动器或“人造肌肉”。然而，工程与应用科学学院的Keplinger研究小组现在开发了一种新型的软电动激活装置，能够模拟自然肌肉的扩张和收缩。这些装置可由各种低成本材料构成，能够自我感知其运动并通过电气损伤进行自愈，这代表了软机器人的重大进步。

新开发的液压放大自愈式静电(HASEL)执行器避开了传统机器人的庞大刚性活塞和电机，用于软结构，可对各种运动产生的电压作出反应。软装置可以执行各种任务，包括抓住树莓和生鸡蛋等精致物品，以及提升重物。HASEL执行器超出或匹配生物肌肉的强度，速度和效率，它们的多功能性可以使人造机器人和下一代假肢的人造肌肉。

今天，HASEL执行器的三种不同设计在科学与科学机器人杂志上发表的单独论文中详细介绍。

“我们从生物肌肉的惊人能力中汲取灵感，”两篇论文的高级作者，机械工程系助理教授和材料科学与工程项目研究员Christoph Keplinger说。“HASEL执行器协同软流体和软静电执行器的优势，因此结合了多功能性和性能，就像以前没有其他人造肌肉一样。就像生物肌肉一样，HASEL执行器可以重现章鱼臂的适应性，蜂鸟的速度和大象的力量。“

在Science(纸的视频摘要)中描述的HASEL装置的一次迭代由填充有电绝缘液体(例如低芥酸菜子油)并且连接到一对相对电极的环形弹性体壳组成。当施加电压时，液体移位并驱动软壳的形状变化。作为一种可能的应用的示例，研究人员将这些致动器中的若干个彼此相对地定位并且在电激活时实现了抓握效果。当电压关闭时，手柄会松开。

另一种HASEL设计由多层高度可拉伸的离子导体组成，这些离子导体将一层液体夹在中间，并在激活时线性膨胀和收缩，以提升悬浮的加仑水或弯曲持有棒球的机械臂。

除了用作能够实​​现多种运动的液压油之外，液体绝缘层的使用使HASEL执行器能够自我修复电气损坏。其他由高压控制的软驱动器，也称为介电弹性体驱动器，使用固体绝缘层，不会因电气损坏而发生灾难性故障。相反，HASEL致动器的液体绝缘层在电损坏后立即恢复其绝缘特性。这种弹性使研究人员能够可靠地放大设备以施加更大的力。

Keplinger集团的博士生Eric Acome说：“能够制造电动软驱动器，能够每秒多次提升一加仑水，这是我们以前从未见过的。这些演示展示了HASEL令人兴奋的潜力。” 科学论文的主要作者。“操作所需的高电压是向前发展的挑战。但是，我们已经在努力解决这个问题，并且已经在实验室设计了使用本文所用电压的五分之一的设备。”

HASEL执行器还可以感知环境输入，就像人体肌肉和神经一样。这些致动器中的电极和电介质组合形成电容器。该电容 - 随着装置的伸展而变化 - 可用于确定致动器的应变。研究人员将HASEL执行器连接到机械臂上，并展示了在同时感应位置的同时为臂提供动力的能力。

第三种设计，在Science Robotics中详细介绍，称为Peano-HASEL执行器，由三个装有液体的小矩形袋组成，串联在一起。聚合物外壳由与马铃薯片袋相同的低成本材料制成，并且薄，透明且柔韧。Peano-HASEL设备在施加电压时非常接近，就像生物肌肉一样，这使得它们对于机器人应用尤其具有吸引力。它们的电动机芯允许以超过人体肌肉的速度运行。

HASEL技术的多功能性和简单性使其适用于现在和未来的广泛工业应用。

“即使是现在，我们也可以制造这些设备大约10美分，”Nicholas Kellaris说道，他也是Keplinger集团的博士生，也是科学机器人研究的主要作者。“这些材料成本低，可扩展，并与当前的工业制造技术兼容。”

未来的研究将尝试进一步优化材料，几何和探索先进的制造技术，以便继续改进HASEL平台并快速实现实际应用。

研究人员已获得该技术的专利，目前正在CU Boulder技术转让办公室的协助下探索商业机会。

“博普林格博士实验室的研究结果令人震惊，”CU博尔德工程与应用科学学院院长Bobby Braun说。“他和他的学生团队正在帮助创造灵活，更人性化的机器人的未来，这些机器人可用于改善人们的生活和福祉。这一系列研究是我们学院的核心，跨学科的力量。”