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隨著柔性機器人的迅速發(fā)展，人們越來越意識到，冰冷、僵硬只是我們對機器人的刻板印象。

近日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉）。

雷鋒網(wǎng)了解到，上述研究團隊受到象鼻的啟發(fā)，基于氣動人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），研制出了一種新型柔性機器人。

人造肌肉

在該研究中，「氣動人工肌肉」是一個核心元素。 

氣動人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構成，可在外加電場下通過內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

而氣動人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅動進行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來形容它再合適不過了。

實際上，由于具有與生物肌肉纖維相似的仿生編織結構、與骨骼肌相似的特性，氣動人工肌肉在軟體仿生機器人、變剛度靜水骨骼等領域都得到了廣泛的應用。此外，這類材料在醫(yī)學、機器人、軍事、航天、光學等領域都發(fā)揮著重要作用，具有巨大的商業(yè)潛力。

早在 20 世紀 40 年代，科研人員就開始對這一領域進行研究。2019 年 7 月，MIT 科研團隊還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當期 Science 封面。

【氣動人工肌肉 圖源百度百科】

“仿象鼻”柔性機器人

近年來，曾有不少研究團隊受花瓣、獵鷹、蛇、鴿子、魚、兔子等等的啟發(fā)，設計出多種形態(tài)的柔性機器人。而此次哈工大研究團隊受到象鼻的啟發(fā)，設計了新型的柔性機器人。

研究團隊指出，氣動人工肌肉運動在一定程度上僅局限于單軸收縮和拉伸，這也限制了其發(fā)展。

為此，該團隊在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎上設計了新型的彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

根據(jù)論文，HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、彈性管、編織管和嵌入式柔性框架組成（如下圖）。

當 HE-PAMs/HC-PAMs 膨脹時，將產生繞軸的彎曲、旋轉運動，使致動器產生螺旋變形，類似我們曾在動物園見過的象鼻彎曲旋轉的運動過程。

而區(qū)分伸展還是收縮，主要取決于「編織角度」——編織角度 > 54.74 度時為 HE-PAMs（下圖 i）；編織角度 < 54.74 度時為 HC-PAMs（下圖 ii）。

在此基礎之上，研究團隊通過一個仿象鼻的高自由度柔性臂來探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性機器人領域的潛在應用。研究人員表示，HC-PAMs 輸出、負載能力很強，而 HE-PAMs 可產生更多的變形。

值得一提的是，這一研究提出了統(tǒng)一的理論方法，將會為其他研究人員提供可靠的參考——該團隊通過實驗、分析，建立了氣動人工肌肉的廣義彎曲行為模型，并在相同的理論框架下研究了軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉的特性。

據(jù)了解，軸向、彎曲和螺旋氣動人工肌肉可以廣泛地應用于各個方向，比如軟體分類機器人、搜索機器人、生物機器人、運動輔助外骨骼、力反饋可穿戴設備等等。

提升人機互動性的柔性機器人

實際上，人造肌肉材料已成為當今研究的前沿和熱門，這與人們對柔性機器人領域越來越多的關注密不可分。

100 年前，捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說中，根據(jù) Robota（捷克文“勞役、苦工”）和 Robotnik（波蘭文“工人”），創(chuàng)造出“機器人”一詞。100 年后，機器人不再只是僵硬、冰冷的機器，柔性機器人正進入我們的視野，工業(yè)柔性機器人和生物柔性機器人是其主要的 2 個分支。

雷鋒網(wǎng)了解到，柔性機器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應性、超強的安全性，以及良好的人機互動性。正如香港科技大學機器人研究院院長、機械及航空航天工程學系教授王煜在 2018 年世界機器人大會上所說：

相較于剛體材料而言，軟體材料互動性好很多，如果用軟體材料做出新的機器人，可能會開拓出新的應用領域。

不過，想要完美地同時兼具上述幾種特性，還有很多技術上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個突破口，比如中國科學院理化技術研究所研究員、清華大學教授劉靜團隊考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機器人領域的應用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅動的方式驅動機器人運動。

雖然現(xiàn)階段柔性機器人領域仍比較“概念化”，但其應用前景廣泛，未來必將會帶來新的變革。

關于作者

雷鋒網(wǎng)了解到，論文通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學航天學院復合材料與結構研究所博士生導師冷勁松教授。

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【圖源百度百科】

1992 年起，冷勁松教授開始在哈工大開展智能材料系統(tǒng)和結構的研究，主要研究方向包括智能材料系統(tǒng)和結構系統(tǒng)、光纖傳感器、結構健康監(jiān)控、復合材料結構設計和工藝技術、可變翼飛行器、結構振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機電系統(tǒng)等等。

另外，冷勁松教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔任主編，在 Smart Materials & Structures 和 Journal of Intelligent Material Systems and Structures 等國際雜志擔任副主編。2006 年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃，2007 年入選長江學者特聘教授，2018 年當選歐洲科學院物理與工程學部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。