軟體機器人的液體“肌肉”

前言

在過去的幾十年里，擬人機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，但有一點它們卻是毫無進展的：動作。由于它們是由電機驅動的，今天最先進的機器人還和《星球大戰(zhàn)》里面的 C-3PO 一樣，動作非常生硬。我們該如何讓機器人也可以像人類一樣實現(xiàn)行云流水般的動作呢？這便是一個名為軟機器人（soft robotics）的新興領域的目標了：為機器帶來更“自然”的動作。

近日，在《科學》和《科學-機器人》學刊中發(fā)表的兩篇論文描述了一種全新的機器人“肌肉”。這種“肌肉”的全名叫“液壓放大自愈式靜電致動器”（hydraulically amplified self-healing electrostatic actutator），簡稱“hasel”。雖然有多個不同的設計，但是 hasel 基本上就是一個內含油液，外面裹著多個電極的小袋子。當這些電極被電流激發(fā)后，它們將釋放電場，驅動致動器開始收放。

這種致動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實現(xiàn)多次收縮。因此，使用這種“肌肉”驅動的義肢在動作上將會更貼近自然肢體。相信有一天，這種肌肉將可以驅動力大無窮卻十分柔軟的機器人，這樣我們就不必擔心它們工作時會一不小心戳傷自己的同事。

“我們只是在用靜電力來驅動液體，通過將電極吸在一起把液體泵到袋子的其他部位”，科羅拉多大學波爾得分校的機械工程師 Nicholas Kellaris 說道。前文提到了一篇在《科學-機器人》上發(fā)表的論文，該論文的主要作者就是 Kellaris。簡單來說，hasel 致動器可以自我收縮，“而通過讓袋子變形致動，將產(chǎn)生壓力和動作”。

當然，這并不是市場上唯一一種用壓縮空氣或液體來實現(xiàn)運動的軟致動器，但是其他的致動器都需要有一個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器連接起來。hasel 致動器則可以直接使用袋子內的（變壓器）油。這意味著它的反應速度將遠超其他的軟致動器。

圖 | 這種叫“hasel”的新型致動器可以輕松地拿起一枚覆盆子

作為實驗，研究人員們制造了一個圓形的 hasel 致動器，在發(fā)動時會它成為一個“甜甜圈”?！爱斘覀冊谥聞悠鞯囊欢吾尫烹妶鰰r，它將把液體推出所謂的‘非活動區(qū)域’”，在《科學》上發(fā)表的那篇論文的主作者、科羅拉多大學波爾得分校的機械工程師 Eric Acome 說道。這個結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“甜甜圈”致動器分為兩組，用每個致動器代表一根手指，成功地做出了一個可以輕輕地拿起一枚覆盆子的機器人手。

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器人“肌肉”。這種長方形的致動器是由三組水平排列的袋子組成，而每個袋子都在上半部分裝有電極。當施加電流時，油會被擠到下半部分，讓下半部分向上卷起來。這樣便會減少整個長方形的長度，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器的數(shù)量來提高“肌肉”的力量。（你在家也可以用一個密封的塑料袋來實驗：只要在里面稍微吹口氣，密封放平，然后把一半下壓，另一半就會卷向你）。

圖 | 可以抬起重物的長方形hasel 致動器

力量強大，又十分精準，hasel 致動器簡直無敵了。難道它沒有弱點嗎？

其實，實現(xiàn)hasel 致動器最大的難點就在于驅動它的電力。電力并不是一種溫柔的力量，尤其是當它用來控制軟機器人所使用的精巧材料時。其實，目前已有一種工作原理與 hasel 十分相似的致動器，用電極壓縮橡膠實現(xiàn)動作。然而，這種致動器很容易短路，特別是當電力過大，產(chǎn)生穿透橡膠的電弧時，整個系統(tǒng)都會崩潰。

這便是 hasel 致動器為何要使用油的原因。“它會穿過中間的液體，但是這些液體會立刻重新分布，再次成為絕緣體，而這個設備則可以繼續(xù)工作下去”，科羅拉多大學波爾得分校的 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計。傳統(tǒng)的致動器往往是一個復雜的電機外帶一個復雜的齒輪箱。而 hasel 則只是一個充滿了油的袋子和一些電極。

不過，由于軟機器人遠比傳統(tǒng)的機器人脆弱，軟機器人的設計師必須考慮它們的軀體被刺穿從而損失動力的可能。所以，軟機器人領域另一大值得攻關的難題是——可以自愈的皮膚。好在這一難題目前已獲得初步成果，而 hasel 的團隊則正在試圖將這種自愈能力添加到 Hasel 致動器上。

當軟機器人的可靠性、安全性、實用性達到一定級別時，它們將在短時間內融入我們的社會與生活中。由于軟機器人可以與人類和諧共事，這意味著它們不會搶走人類的工作。當然，它們總有一天會成為我們的伙伴，不論是工作上的，還是生活上的。