苏黎世联邦理工学院的研究人员最近开发出了用于机器人运动的人造肌肉。与以前的技术相比，他们的解决方案具有多个优势：它可以用于机器人需要柔软而不是刚性的任何地方，或者在与环境交互时需要更高灵敏度的地方。

人造肌肉更轻更安全更坚固

许多机器人专家梦想建造的机器人不仅是金属或其他硬质材料和电机的组合，而且更柔软、适应性更强。软机器人可以以完全不同的方式与环境互动。例如，它们可以像人类四肢一样缓冲冲击力，或者巧妙地抓住物体。这也将带来能源消耗方面的好处：当今的机器人运动通常需要大量能量来保持某个位置，而软系统也可以很好地存储能量。那么，还有什么比以人体肌肉为模型并尝试重建它更明显的呢?

因此，人造肌肉的功能是基于生物学的。与天然肌肉一样，人造肌肉也会响应电脉冲而收缩。然而，人造肌肉不是由细胞和纤维组成，而是由一个充满液体(通常是油)的小袋组成，其外壳部分被电极覆盖。当这些电极接收到电压时，它们会聚集在一起并将液体推入袋子的其余部分，袋子会弯曲，从而能够举起重量。单个造口袋类似于一束短的肌肉纤维;其中几个可以连接起来形成一个完整的推进元件，也称为执行器或简称为人造肌肉。

电压过高

开发人造肌肉的想法并不新鲜，但直到现在，实现它还存在一个重大障碍：静电执行器只能在6,000至10,000伏特的极高电压下工作。这一要求有几个影响：例如，肌肉必须连接到大型、高电压放大器;他们不在水中工作;而且它们对人类来说并不完全安全。苏黎世联邦理工学院机器人学教授RobertKatzschmann与Stephan-​DanielGravert、EliaVarini和其他同事一起开发了一种新的解决方案。他们在外部页面ScienceAdvancescall_made上发布了他们的人造肌肉版本，该版本具有多种优势。

该图显示了人造肌肉的工作原理以及新外壳的结构。

该图显示了人造肌肉的工作原理以及新外壳的结构。图片来源：Gravert等人。科学2024/苏黎世联邦理工学院

格拉弗特是卡茨施曼实验室的科学助理，他为这个袋子设计了一个外壳。研究人员将这种新型人造肌肉称为HALVE执行器，其中HALVE代表“液压放大低压静电”。“在其他执行器中，电极位于外壳的外侧。在我们的外壳中，外壳由不同的层组成。我们采用了高介电常数铁电材料，即可以存储相对大量电能的材料，并将其与一层电极结合在一起。接下来，我们在其上涂上聚合物外壳，该外壳具有优异的机械性能，并使袋子更加稳定，”Gravert解释道。这意味着研究人员可以降低所需的电压，因为铁电材料的介电常数要高得多，尽管电压较低，但仍可以产生很大的力。Gravert和Varini不仅共同开发了HALVE执行器的外壳，而且还在实验室中自行制造了执行器以用于两个机器人。

抓手和鱼展示了肌肉的能力

这些机器人示例之一是一个11厘米高、带有两根手指的抓手。每个手指均由HALVE执行器的三个串联袋移动。小型电池供电电源为机器人提供900伏电压。电池和电源的总重量仅为15克。整个夹具(包括电源和控制电子设备)重45克。当用绳索将物体提升到空中时，夹具可以足够牢固地抓住光滑的塑料物体以支撑其自身重量。“这个例子很好地展示了HALVE执行器的小巧、轻便和高效。这也意味着我们离创建集成肌肉操作系统的目标又近了一大步。”Katzschmann满意地说。

第二个物体是一个像鱼一样的游泳者，长约30厘米，可以在水中顺利移动。它由一个包含电子设备的“头部”和一个连接HALVE执行器的灵活“身体”组成。这些执行器按照产生游泳运动的节奏交替移动。这种自主鱼可以在14秒内从静止状态加速到每秒3厘米的速度——这是在普通自来水中的情况。

防水和自密封

第二个例子很重要，因为它展示了HALVE执行器的另一个新功能：由于电极不再不受保护地放置在外壳之外，人造肌肉现在是防水的，也可以在导电液体中使用。“这条鱼说明了这些执行器的一般优势——电极不受环境影响，反之，环境也不受电极影响。因此，您可以在水中操作这些静电执行器或触摸它们，”Katzschmann解释道。袋子的分层结构还有另一个优点：新的执行器比其他人造肌肉更加坚固。

理想情况下，造口袋应该能够快速进行大量运动。然而，即使是最小的生产错误，例如电极之间的一粒灰尘，也可能导致电气击穿——一种小型雷击。“当这种情况发生在早期模型中时，电极会燃烧，在外壳上形成一个洞。这使得液体逸出并使执行器失效，”Gravert说。这个问题在HALVE执行器中得到了解决，因为由于保护性塑料外层，单个孔基本上会自行关闭。因此，即使在发生电气故障后，袋子通常仍能保持完整的功能。

两位研究人员显然很高兴人造肌肉的开发向前迈出了决定性的一步，但他们也是现实的。正如Katzschmann所说：“现在我们必须为这项技术的大规模生产做好准备，而我们在ETH实验室无法做到这一点。无需透露太多，我可以说我们已经收到了愿意与我们合作的公司的兴趣。”例如，人造肌肉有一天可以用于新型机器人、假肢或可穿戴设备;换句话说，是穿戴在人体上的技术。