Empa研究人員制作出可模仿真實(shí)肌肉的3D打印軟材執(zhí)行器

2025年3月12日，南極熊獲悉，瑞士國(guó)家材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Empa的研究人員正在致力于生產(chǎn)能夠與真實(shí)肌肉媲美的人造肌肉。他們宣稱通過(guò)3D打印技術(shù)可以制造出一種既柔軟又具有彈性的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)。這些人造肌肉有望在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人技術(shù)以及任何需要精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

△Empa的3D打印軟體致動(dòng)器

模仿真實(shí)肌肉難題

人造肌肉的潛力遠(yuǎn)不止于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；未來(lái)，它們有望在人們工作或行走時(shí)提供支持，甚至可能替代受損的肌肉組織。盡管如此，開(kāi)發(fā)出能與自然肌肉相媲美的人造肌肉，仍然是一項(xiàng)技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。

要與生物肌肉相匹配，人造肌肉必須同時(shí)具備力量、彈性和柔軟性。其中，執(zhí)行器是人造肌肉的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)將電脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器在多種環(huán)境中發(fā)揮著作用，從家庭自動(dòng)化到汽車(chē)引擎，再到先進(jìn)的工業(yè)設(shè)施，只需簡(jiǎn)單的按鈕操作即可實(shí)現(xiàn)物體的移動(dòng)。然而，目前的執(zhí)行器多為堅(jiān)硬的機(jī)械部件，與人體肌肉的特性相去甚遠(yuǎn)。

△相關(guān)研究結(jié)果已正式發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》上，題目為“高介電常數(shù)介電彈性體執(zhí)行器光纖的快速制造”（傳送門(mén)）

調(diào)和矛盾

研究人員采用了3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)由軟材料制成的復(fù)雜執(zhí)行器組件。這種介電彈性執(zhí)行器（DEA）由兩種不同類型的硅基材料構(gòu)成：一種是導(dǎo)電的電極材料，另一種是不導(dǎo)電的電介質(zhì)。這兩種材料層層堆疊，正如Empa研究員Patrick Danner所描述的，它們的組合類似于交錯(cuò)的手指。當(dāng)在電極上施加電壓時(shí)，執(zhí)行器會(huì)收縮，模擬肌肉的運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)電壓移除時(shí)，執(zhí)行器則恢復(fù)到初始狀態(tài)。

△介電彈性體致動(dòng)器（DEA）纖維的制造和工作原理

Danner明白，3D打印這種結(jié)構(gòu)極具挑戰(zhàn)性。盡管兩種軟材料在電氣屬性上有明顯差異，但在打印過(guò)程中，它們的行為必須非常相似。它們需要保持分離狀態(tài)，但在最終的執(zhí)行器中又必須緊密結(jié)合。

打印出的“肌肉”必須足夠柔軟，以便于電刺激引起所需的形變。此外，所有3D打印材料必須滿足特定要求：它們?cè)诖蛴毫ο卤仨毮軌蛞夯?，以便從噴嘴擠出。以及，擠出后它們又必須具備足夠的粘性以保持形狀。

Danner指出：“這些特性往往相互矛盾。優(yōu)化其中一個(gè)特性，往往會(huì)導(dǎo)致其它特性的惡化，或者變得更差?！?br />

△通過(guò)工藝變化調(diào)整光纖結(jié)構(gòu)

從VR手套到跳動(dòng)的心臟

研究小組負(fù)責(zé)人Dorina Opris，以及來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員合作，成功地協(xié)調(diào)了多種相互矛盾的特性。他們使用了由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員Tazio Pleij和Jan Vermant開(kāi)發(fā)的特殊油墨，并通過(guò)特定的噴嘴技術(shù)，成功打印出了功能性軟執(zhí)行器。

這次合作是Manufhaptics項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目是ETH領(lǐng)域戰(zhàn)略領(lǐng)域先進(jìn)制造的一個(gè)大型項(xiàng)目。項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種手套，使得虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)?zāi)軌蚋咏鎸?shí)世界。在這個(gè)項(xiàng)目中，人造肌肉的作用是通過(guò)提供阻力來(lái)模擬抓握物體的感覺(jué)。

△Empa的Patrick Danner正在研究由軟材料制成的執(zhí)行器

軟執(zhí)行器的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一特定項(xiàng)目。由于它們輕便、靜音，并且能夠根據(jù)需要進(jìn)行定制形狀，軟執(zhí)行器有潛力替代傳統(tǒng)汽車(chē)、機(jī)械和機(jī)器人中的執(zhí)行器。在醫(yī)療領(lǐng)域，它們同樣有巨大的應(yīng)用前景，前提是它們能夠得到進(jìn)一步的發(fā)展。

現(xiàn)階段，Opris和Danner已經(jīng)開(kāi)始探索這一領(lǐng)域。他們的新工藝不僅能夠打印出復(fù)雜形狀的纖維，還能生產(chǎn)出具有彈性的長(zhǎng)纖維。Opris指出：“如果我們能使這些纖維變得更細(xì)，它們的工作方式將更接近真實(shí)肌肉纖維?！毖芯咳藛T們?cè)O(shè)想，未來(lái)或許可以利用這些纖維來(lái)打印出整顆心臟。然而，在這一愿景實(shí)現(xiàn)之前，仍有許多研究和開(kāi)發(fā)工作需要完成。