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軟體機(jī)器人的液體“肌肉”

前言在過去的幾十年里，擬人機(jī)器人雖然在長相方面發(fā)展迅猛，已經(jīng)看起來和人類十分相似，但有一點(diǎn)它們卻是毫無進(jìn)展的：動(dòng)作。由于它們是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，今天最先進(jìn)的機(jī)器人還和《星球大戰(zhàn)》里面的 C-3PO 一樣，動(dòng)作非常生硬。我們?cè)撊绾巫寵C(jī)器人也可以像人類一樣實(shí)現(xiàn)行云流水般的動(dòng)作呢？這便是一個(gè)名為軟機(jī)器人（soft robotics）的新興領(lǐng)域的目標(biāo)了：為機(jī)器帶來更“自然”的動(dòng)作。近日，在《科學(xué)》和《科學(xué)-機(jī)器人》學(xué)刊中發(fā)表的兩篇論文描述了一種全新的機(jī)器人“肌肉”。這種“肌肉”的全名叫“液壓放大自愈式靜電致動(dòng)器”（hydraulically amplified self-healing electrostatic actutator），簡稱“hasel”。雖然有多個(gè)不同的設(shè)計(jì)，但是 hasel 基本上就是一個(gè)內(nèi)含油液，外面裹著多個(gè)電極的小袋子。當(dāng)這些電極被電流激發(fā)后，它們將釋放電場，驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器開始收放。這種致動(dòng)器在力量和效率方面與人類肌肉十分接近，并可以在一秒鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次收縮。因此，使用這種“肌肉”驅(qū)動(dòng)的義肢在動(dòng)作上將會(huì)更貼近自然肢體。相信有一天，這種肌肉將可以驅(qū)動(dòng)力大無窮卻十分柔軟的機(jī)器人，這樣我們就不必?fù)?dān)心它們工作時(shí)會(huì)一不小心戳傷自己的同事。 “我們只是在用靜電力來驅(qū)動(dòng)液體，通過將電極吸在一起把液體泵到袋子的其他部位”，科羅拉多大學(xué)波爾得分校的機(jī)械工程師 Nicholas Kellaris 說道。前文提到了一篇在《科學(xué)-機(jī)器人》上發(fā)表的論文，該論文的主要作者就是 Kellaris。簡單來說，hasel 致動(dòng)器可以自我收縮，“而通過讓袋子變形致動(dòng)，將產(chǎn)生壓力和動(dòng)作”。當(dāng)然，這并不是市場上唯一一種用壓縮空氣或液體來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軟致動(dòng)器，但是其他的致動(dòng)器都需要有一個(gè)外置容器來容納這些氣體或液體，然后用一根長長的管子將它與致動(dòng)器連接起來。hasel 致動(dòng)器則可以直接使用袋子內(nèi)的（變壓器）油。這意味著它的反應(yīng)速度將遠(yuǎn)超其他的軟致動(dòng)器。圖 | 這種叫“hasel”的新型致動(dòng)器可以輕松地拿起一枚覆盆子作為實(shí)驗(yàn)，研究人員們制造了一個(gè)圓形的 hasel 致動(dòng)器，在發(fā)動(dòng)時(shí)會(huì)它成為一個(gè)“甜甜圈”。“當(dāng)我們?cè)谥聞?dòng)器的一段釋放電場時(shí)，它將把液體推出所謂的‘非活動(dòng)區(qū)域’”，在《科學(xué)》上發(fā)表的那篇論文的主作者、科羅拉多大學(xué)波爾得分校的機(jī)械工程師 Eric Acome 說道。這個(gè)結(jié)果最直觀的顯示就是圓圈中間的油被推到了邊緣，即形成甜甜圈的形狀。研究人員們把多個(gè)“甜甜圈”致動(dòng)器分為兩組，用每個(gè)致動(dòng)器代表一根手指，成功地做出了一個(gè)可以輕輕地拿起一枚覆盆子的機(jī)器人手。如果你覺得輕輕地拿起一枚水果沒有意思，研究人員們還制造了一種可以抬起重物的機(jī)器人“肌肉”。這種長方形的致動(dòng)器是由三組水平排列的袋子組成，而每個(gè)袋子都在上半部分裝有電極。當(dāng)施加電流時(shí)，油會(huì)被擠到下半部分，讓下半部分向上卷起來。這樣便會(huì)減少整個(gè)長方形的長度，舉起連在下半部分的重物。研究人員可以輕易地通過增加致動(dòng)器的數(shù)量來提高“肌肉”的力量。（你在家也可以用一個(gè)密封的塑料袋來實(shí)驗(yàn)：只要在里面稍微吹口氣，密封放平，然后把一半下壓，另一半就會(huì)卷向你）。圖 | 可以抬起重物的長方形hasel 致動(dòng)器力量強(qiáng)大，又十分精準(zhǔn)，hasel 致動(dòng)器簡直無敵了。難道它沒有弱點(diǎn)嗎？其實(shí)，實(shí)現(xiàn)hasel 致動(dòng)器最大的難點(diǎn)就在于驅(qū)動(dòng)它的電力。電力并不是一種溫柔的力量，尤其是當(dāng)它用來控制軟機(jī)器人所使用的精巧材料時(shí)。其實(shí)，目前已有一種工作原理與 hasel 十分相似的致動(dòng)器，用電極壓縮橡膠實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。然而，這種致動(dòng)器很容易短路，特別是當(dāng)電力過大，產(chǎn)生穿透橡膠的電弧時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)崩潰。這便是 hasel 致動(dòng)器為何要使用油的原因。“它會(huì)穿過中間的液體，但是這些液體會(huì)立刻重新分布，再次成為絕緣體，而這個(gè)設(shè)備則可以繼續(xù)工作下去”，科羅拉多大學(xué)波爾得分校的 Tim Morrissey 說道。簡單來說，袋子中的油有著盾牌的功能，不會(huì)像另外那種橡膠一樣被擊碎。 hasel 的出眾之處在于它簡單的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的致動(dòng)器往往是一個(gè)復(fù)雜的電機(jī)外帶一個(gè)復(fù)雜的齒輪箱。而 hasel 則只是一個(gè)充滿了油的袋子和一些電極。不過，由于軟機(jī)器人遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的機(jī)器人脆弱，軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)師必須考慮它們的軀體被刺穿從而損失動(dòng)力的可能。所以，軟機(jī)器人領(lǐng)域另一大值得攻關(guān)的難題是——可以自愈的皮膚。好在這一難題目前已獲得初步成果，而 hasel 的團(tuán)隊(duì)則正在試圖將這種自愈能力添加到 Hasel 致動(dòng)器上。當(dāng)軟機(jī)器人的可靠性、安全性、實(shí)用性達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，它們將在短時(shí)間內(nèi)融入我們的社會(huì)與生活中。由于軟機(jī)器人可以與人類和諧共事，這意味著它們不會(huì)搶走人類的工作。當(dāng)然，它們總有一天會(huì)成為我們的伙伴，不論是工作上的，還是生活上的。

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