像人类肌肉一样 西北大学发明低成本执行器使机器人更安全柔软

盖世汽车讯 据外媒报道，美国西北大学（Northwestern University）的工程师们开发出新型柔软、灵活的装置，可以通过伸展和收缩使机器人移动——就像人类的肌肉一样。

图片来源：西北大学

为了展示新装置（称为执行器），研究人员用它来制造一个圆柱形、蠕虫状的软机器人和一个人造二头肌。在实验中，圆柱形软机器人在狭窄的管道状环境中沿着急弯方向移动，而二头肌能够连续成功举起500克的重物5,000次。

由于研究人员使用普通橡胶3D打印了软执行器的主体，因此最终的机器人材料成本约为3美元，不包括驱动执行器形状变化的小型电机。这与机器人中使用的典型刚性执行器形成了鲜明对比，因为刚性执行器通常要花费数百至数千美元。

研究人员表示，这种新型执行器可用于开发廉价、柔软、灵活的机器人，这些机器人更安全，更适合实际应用。相关研究于7月8日发表在期刊《Advanced Intelligent Systems》。

“机器人专家长期以来的目标就是让机器人更安全，”该研究领导者、西北大学Ryan Truby之一表示。“如果软机器人撞到人，伤害不会像被坚硬的机器人撞到那么大。我们的执行器可用于更适合以人为中心的环境的机器人。而且，由于它们价格低廉，我们有可能实现更多地使用。”

西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程和机械工程的June and Donald Brewer初级教授Truby负责指导机器人物质实验室（The Robotic Matter Lab）。Truby实验室的博士后学者、论文第一作者Taekyoung Kim共同领导这项研究。机械工程博士生Pranav Kaarthik也参与了这项工作。

“行为和移动像生物体”的机器人

虽然刚性执行器长期以来一直是机器人设计的基石，但其有限的灵活性、适应性和安全性促使机器人专家探索软执行器作为替代方案。为了设计软执行器，Truby和他的团队从人类肌肉中汲取灵感，这些肌肉会同时收缩和变硬。

“如何制造出能像肌肉一样移动的材料？”Truby问道。“如果我们能做到这一点，那么我们就可以制造出行为和移动像生物体的机器人。”

为了开发新的执行器，该团队用橡胶3D打印了圆柱形结构，称为“手性剪切膨胀体”（HSA）。HSA难以制造，其结构复杂，可实现独特的运动和特性。例如，扭曲时，HSA会伸展和膨胀。虽然Truby和Kaarthik过去曾为机器人3D打印过类似的HSA结构，但他们必须使用昂贵的打印机和硬质塑料树脂。因此，之前的HSA无法轻易弯曲或变形。

“为了实现这一目标，我们需要找到一种方法让HSA更柔软、更耐用，”Kim表示。“我们想出了如何使用更便宜、更容易获得的桌面3D打印机用橡胶制造柔软但坚固的HSA。”

Kim用热塑性聚氨酯（一种常用于手机外壳的常见橡胶）打印HSA。虽然这使得HSA变得更柔软、更灵活，但仍有一个挑战：如何扭转HSA以使其伸展和膨胀。

以前版本的HSA软执行器使用普通伺服电机将材料扭转成伸展和膨胀状态。但研究人员只有在组装两个或四个HSA（每个都有自己的电机）后才能成功驱动。以这种方式构建软执行器带来了制造和操作挑战。它还降低了HSA执行器的柔软度。

为了构建改进的软执行器，研究人员旨在设计一个由一台伺服电机驱动的单个HSA。但首先，团队需要找到一种方法来让单个电机扭转单个HSA。

简化“整个管道”

为了解决这个问题，Kim在结构中添加了一个柔软、可伸缩的橡胶波纹管，其性能类似于可变形的旋转轴。当电机提供扭矩（一种使物体旋转的动作）时，执行器会伸展。只需朝一个方向或另一个方向转动电机，即可驱动执行器伸展或收缩。

“本质上，Taekyoung设计了两个橡胶部件，通过电机转动产生类似肌肉的运动，”Truby表示。“虽然该领域以更繁琐的方式制造了软执行器，但Taekyoung通过3D打印大大简化了整个管道。现在，我们有了一个实用的软执行器，任何机器人专家都可以使用和制造。”

波纹管为Kim提供了足够的支撑，从而能够用一个可以自行移动的执行器构建一个爬行软机器人。执行器的推拉运动推动机器人在模拟管道的弯曲受限环境中前进。

“我们的机器人可以使用单一结构进行这种伸展运动，”Kim表示。“这使得我们的执行器更加有用，因为它可以普遍集成到所有类型的机器人系统中。”

缺失的部分：肌肉僵硬

由此产生的蠕虫状机器人结构紧凑（长度仅为26厘米），爬行速度为每分钟32厘米多一点，包括前后爬行。Truby指出，当执行器完全伸展时，机器人和人造二头肌都会变得更硬。这是以前的软机器人无法实现的另一个特性。

“就像肌肉一样，这些软执行器实际上会变硬，”Truby表示。“例如，如果你曾经拧开罐子的盖子，你就会知道肌肉会收紧并变得更硬以传递力量。这就是你的肌肉帮助你的身体工作的方式。这是软机器人中一个被忽视的功能。许多软执行器在使用时会变软，但我们的柔性执行器在操作时会变得更硬。”

Truby和Kim表示，新型执行器为仿生机器人的出现又迈出了一步。“能够像生物体一样移动的机器人将使我们能够想象机器人执行传统机器人无法完成的任务，”Truby说道。