僅2毫米粗細(xì),卻能舉起自身200倍的重量!
![]()
功率密度堪比骨骼肌肉,響應(yīng)速度快至0.3秒,且無需外部儲液罐,實現(xiàn)了電氣驅(qū)動、無繩化且靜音運行。
![]()
更厲害的是,它還能像紗線一樣,直接被織成“動力布料”,給機器人穿上一身“肌肉外衣”。
![]()
來自美國麻省理工學(xué)院和意大利巴里理工大學(xué)的研究團隊最新開發(fā)出一種電液纖維肌肉(Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs),首次實現(xiàn)了與哺乳動物骨骼肌相當(dāng)?shù)墓β拭芏取_@項研究發(fā)表在最新一期的國際頂級期刊《Science Robotics》上。
![]()
01.
電液纖維肌肉:軟體機器人的新突破
![]()
機器人要像人類一樣靈活自如,關(guān)鍵之一在于驅(qū)動器——就像肌肉之于人體。
然而,傳統(tǒng)的伺服電機雖然功率密度高、效率可靠,但相對笨重的外形嚴(yán)重限制了它在軟體機器人和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。要將運動傳遞到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以外的任何部位,還需要額外的滑輪和肌腱等組件。
相比之下,生物肌肉纖維可以模塊化地組織成各種結(jié)構(gòu),通過增加每束纖維的數(shù)量能夠?qū)崿F(xiàn)輕松調(diào)節(jié)力量大小。這種天然的優(yōu)勢讓研究人員一直在尋找能夠媲美生物肌肉的人工替代品。
來自美國麻省理工學(xué)院和意大利巴里理工大學(xué)的研究團隊最新開發(fā)的電液纖維肌肉(Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs),給出了一份突破性的答案。
![]()
這種人工肌肉直徑僅1-2毫米,收縮應(yīng)變可達20%,響應(yīng)時間不到0.3秒。更重要的是,它們平均功率密度達到50W/kg,與人體骨骼肌相當(dāng)。整個系統(tǒng)采用閉環(huán)設(shè)計,無需外部液體儲存器,可以直接由電能驅(qū)動,實現(xiàn)靜音運行。
研究團隊通過三個不同的機器人演示展現(xiàn)了這種肌肉的多功能性:一個能在0.3秒內(nèi)發(fā)射物體的快速杠桿臂;一個能舉起4公斤重物(相當(dāng)于自重200倍)的肌肉束;以及一個能讓機械臂彎曲40度、柔順到可以與人握手的編織肌肉。
02.
偏壓是關(guān)鍵:讓閉環(huán)系統(tǒng)高效運行
電液纖維肌肉的核心創(chuàng)新在于將電流體動力學(xué)(EHD)纖維泵與薄型McKibben驅(qū)動器結(jié)合,形成一個閉合的流體回路。
McKibben驅(qū)動器是一種經(jīng)典的流體驅(qū)動器,由內(nèi)部彈性管和外部編織層組成。當(dāng)內(nèi)部加壓時,編織層引導(dǎo)變形使驅(qū)動器軸向收縮。而EHD纖維泵則是一種毫米級的軟管,內(nèi)嵌螺旋電極,能夠在沒有移動部件的情況下靜默產(chǎn)生壓力和流量。
![]()
傳統(tǒng)上,McKibben驅(qū)動器需要外部泵和閥門,這嚴(yán)重限制了它們在便攜式應(yīng)用中的使用。研究團隊的關(guān)鍵突破是采用拮抗配置——兩個McKibben驅(qū)動器連接在纖維泵的兩端,當(dāng)一個收縮時,另一個延伸并充當(dāng)儲液器。
但要讓這個閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作,偏壓(bias pressure)的設(shè)置至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)中預(yù)充一定量的介電液體,使其保持75 kPa的偏壓時,性能達到最優(yōu)。
這個偏壓帶來了三重好處:
首先,它防止了空化現(xiàn)象。當(dāng)泵入口處的壓力降到液體蒸汽壓以下時,會觸發(fā)電擊穿,導(dǎo)致系統(tǒng)失效。適當(dāng)?shù)钠珘捍_保入口處的絕對壓力始終高于蒸汽壓,從而允許施加更高的電壓。實驗顯示,有偏壓時系統(tǒng)能承受的電場強度是無偏壓時的200%。
第二,偏壓優(yōu)化了泵-驅(qū)動器的匹配。McKibben驅(qū)動器具有非線性的壓力-行程響應(yīng)曲線,偏壓使得泵產(chǎn)生的壓力作用在曲線的陡峭區(qū)域,從而在相同壓力下獲得更大的收縮行程。在5N負(fù)載下,75 kPa偏壓使收縮應(yīng)變從不到2%提升到超過6%,增加了三倍。
第三,偏壓使肌肉具有背驅(qū)動性(back-stretchability),這對于人機交互至關(guān)重要。當(dāng)機器人手臂處于握手位置時,人類可以自然地?fù)u動它,因為兩塊肌肉都能輕松變形。
![]()
03.
模塊化設(shè)計:從快速投射到柔順握手
電液纖維肌肉最大的優(yōu)勢在于其高度模塊化的特性。通過簡單地調(diào)整纖維泵和McKibben驅(qū)動器的數(shù)量及其排列方式,就能為不同的機器人任務(wù)定制性能。
研究團隊開發(fā)了一個物理模型來指導(dǎo)設(shè)計。模型顯示,串聯(lián)的泵數(shù)量決定最大壓力,而并聯(lián)的泵數(shù)量決定最大流量。對于給定的驅(qū)動器,響應(yīng)時間與并聯(lián)泵數(shù)成反比,與驅(qū)動器的尺寸和數(shù)量成正比。
基于這個原理,團隊展示了三種不同的配置:
快速杠桿臂采用四個并聯(lián)的纖維泵驅(qū)動一對McKibben驅(qū)動器,實現(xiàn)了180毫米/秒的收縮速度。這個系統(tǒng)能在0.13秒內(nèi)完全收縮,快到可以將乒乓球彈射到24厘米高。高速攝像機記錄顯示,從電壓施加到物體離開發(fā)射臺,整個過程不到0.3秒。
![]()
力量型肌肉束將8個McKibben驅(qū)動器捆綁成圓形幾何結(jié)構(gòu),由兩對串并聯(lián)的纖維泵驅(qū)動。這個重22克的裝置能夠舉起4.25公斤的重物(加上250克預(yù)載),實現(xiàn)30毫米的收縮行程(11%應(yīng)變)。長期循環(huán)測試顯示,在0.5 Hz頻率下進行1000次循環(huán)后性能保持穩(wěn)定。
![]()
編織肌肉展示了纖維形態(tài)的獨特優(yōu)勢。10個并聯(lián)的McKibben驅(qū)動器作為經(jīng)線,兩個并聯(lián)的纖維泵作為緯線交織在一起,形成40厘米長、6厘米寬的柔性肌肉片。將其作為二頭肌-三頭肌對安裝在機械臂上,不僅能讓手臂彎曲42度,還保持足夠的柔順性完成人機握手。
![]()
研究還發(fā)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器與泵的比例,可以在力量和速度之間權(quán)衡。將二頭肌中的McKibben驅(qū)動器數(shù)量從10個減少到2個,響應(yīng)時間縮短了42%,而彎曲角度幾乎沒有變化。
這種電液纖維肌肉代表了軟體機器人驅(qū)動技術(shù)的重要進展。它們不僅在功率密度上媲美生物肌肉,更重要的是提供了突破性的模塊化和可重構(gòu)性。纖維形態(tài)使得這些肌肉可以像紡織品一樣編織、捆綁或排列,為未來的可穿戴機器人、靈巧操作手和仿生系統(tǒng)開辟了新的可能。
論文鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.