西北大學(xué)新研究：利用 3D 打印軟體致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)類人體肌肉運(yùn)動(dòng)

2024年7月18日，南極熊獲悉，來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的工程師們發(fā)明了一種新型柔軟、靈活的軟體致動(dòng)器裝置，使機(jī)器人能夠通過(guò)擴(kuò)張和收縮模仿人類肌肉的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到移動(dòng)物體的目的。

在這項(xiàng)研究中，致動(dòng)器（裝置）被用于制造一個(gè)圓柱形蠕蟲狀軟機(jī)器人和一個(gè)人造二頭肌。機(jī)器人可以在狹小的空間中行走，二頭肌可以輕松舉起 500 克的重物 5,000 次。每個(gè)機(jī)器人由標(biāo)準(zhǔn)橡膠制成，成本約為 3 美元，不包括幫助致動(dòng)器改變形狀的小型馬達(dá)。該團(tuán)隊(duì)表示，這種方法比傳統(tǒng)的剛性致動(dòng)器便宜得多，后者可能要花費(fèi)數(shù)百或數(shù)千美元。

這項(xiàng)研究由西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程和機(jī)械工程系的 June andDonald Brewer Junior 教授 Samuel Truby以及博士后學(xué)者、論文第一作者 Taekyoung Kim 領(lǐng)導(dǎo)，機(jī)械工程博士候選人 Pranav Kaarthik 也參與其中。這項(xiàng)研究題為“A Flexible, Architected Soft Robotic Actuator for MotorizedExtensional Motion/一種用于線性伺服驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的靈活、結(jié)構(gòu)化的軟機(jī)器人致動(dòng)器”，發(fā)表在《先進(jìn)智能系統(tǒng)》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202300866

“機(jī)器人專家長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)就是讓機(jī)器人更安全，”西北大學(xué)的 Ryan Truby 說(shuō)道，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“如果軟機(jī)器人撞到人，傷害不會(huì)像被堅(jiān)硬的機(jī)器人撞到那么大。我們的致動(dòng)器可用于更適合以人為中心的環(huán)境的機(jī)器人。而且，由于它們價(jià)格低廉，我們有可能以歷史上成本過(guò)高的方式更多地使用它們�！�

△專為電動(dòng)拉伸運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的軟機(jī)器人執(zhí)行器。靈活的軟機(jī)器人執(zhí)行器 a) 通過(guò)伺服旋轉(zhuǎn)線性伸展，b) 即使在因外部負(fù)載而彎曲時(shí)也是如此。c) 執(zhí)行器由熱塑性聚氨酯 (TPU) 手性剪切膨脹 (HSA) 主體和軟波紋管軸組成。照片中展示了這兩個(gè)組件的可延展性和可彎曲性。

仿生軟體致動(dòng)器：增強(qiáng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和靈活性

剛性致動(dòng)器傳統(tǒng)上一直是機(jī)器人設(shè)計(jì)的主導(dǎo)，但它們的剛性和安全性問(wèn)題促使研究人員開始探索軟致動(dòng)器。受人類肌肉同時(shí)收縮和僵硬的啟發(fā)，特魯比和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型致動(dòng)器。

該團(tuán)隊(duì)用橡膠 3D 打印了圓柱形“手性剪切膨脹材料”（HSA），這種材料在扭曲時(shí)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)，如伸展和膨脹。研究人員表示，之前使用昂貴打印機(jī)用硬質(zhì)塑料樹脂制成的 HSA 版本缺乏靈活性和可變形性。

Kim 通過(guò)使用熱塑性聚氨酯（一種用于手機(jī)外殼的材料）和經(jīng)濟(jì)高效的桌面 3D 打印機(jī)解決了這些限制。這使 HSA 變得更軟、更靈活，盡管扭轉(zhuǎn)它們進(jìn)行延伸和擴(kuò)展仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

早期的軟致動(dòng)器需要多個(gè)伺服電機(jī)來(lái)扭轉(zhuǎn)，這會(huì)使制造過(guò)程復(fù)雜化，并降低柔軟度。Kim 通過(guò)添加柔軟、可伸縮的橡膠波紋管作為可變形的旋轉(zhuǎn)軸解決了這個(gè)問(wèn)題，使單個(gè)伺服電機(jī)能夠向任一方向伸展或收縮致動(dòng)器。

添加波紋管后，Kim 可以使用單個(gè)致動(dòng)器制造出爬行軟體機(jī)器人。與早期的軟體機(jī)器人不同，這款 26 厘米長(zhǎng)的機(jī)器人每分鐘移動(dòng)超過(guò) 32 厘米，可以在狹窄空間內(nèi)導(dǎo)航，并且在致動(dòng)器伸展時(shí)變硬。

研究團(tuán)隊(duì)表示，軟體致動(dòng)器在操作時(shí)能夠像人類肌肉一樣變硬，這是一項(xiàng)重大進(jìn)步。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，這一仿生功能增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)能力，擴(kuò)大了軟體機(jī)器人可以執(zhí)行的任務(wù)范圍。

△西北大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的新型爬行機(jī)器人可以在狹窄的管道環(huán)境中行走。圖片來(lái)自西北大學(xué)。

3D打印肌肉在運(yùn)動(dòng)

3D 打印肌肉代表著一個(gè)有前途的研究領(lǐng)域，有可能對(duì)肌肉修復(fù)和再生方法產(chǎn)生重大影響。一個(gè)例子是意大利理工學(xué)院(IIT) 的研究人員開發(fā)了一種配備 SLA 3D 打印人造肌肉（稱為 GRACE 致動(dòng)器）的機(jī)械手，該機(jī)械手可復(fù)制類似人類的抓握效率。

這些致動(dòng)器重量?jī)H為 8 克，可以舉起重達(dá)自身重量 1,000 倍的物體，并允許機(jī)械手執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作，例如彎曲手指和扭動(dòng)手腕。由樹脂膜打印而成的 GRACE 致動(dòng)器展示了 3D 打印肌肉的潛力，可以模擬生物功能，并且具有更高的多功能性和強(qiáng)度。

早在 2017 年，哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家就開發(fā)出了一種3D 打印合成肌肉，能夠舉起高達(dá)自身重量 1,000 倍的重量。該團(tuán)隊(duì)描述了一種致動(dòng)器，它使用與乙醇混合的 PMSD 基硅膠彈性體來(lái)模擬人體肌肉的擴(kuò)張和收縮。

當(dāng)施加電壓時(shí)，乙醇的相變會(huì)導(dǎo)致材料大幅膨脹和收縮。這種“肌肉”兼具高應(yīng)變和高應(yīng)力以及低密度，有望為簡(jiǎn)單的手工任務(wù)制造栩栩如生的仿生身體部位。