瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出了用于机器人运动的人造肌肉。该学院研究人员表示，与之前的技术相比，他们的解决方案具有多项优势：它可用于机器人需要柔软而非僵硬的地方，或机器人与环境互动时需要更高灵敏度的地方。

许多机器人专家梦想制造的机器人不仅是金属或其他硬质材料与电机的组合，而且更柔软、适应性更强。软体机器人可以以完全不同的方式与环境互动，例如，它们可以像人类四肢那样缓冲撞击，或巧妙地抓住物体。

这也将在能源消耗方面带来好处：现在的机器人运动通常需要大量能量来维持一个位置，而软系统也可以很好地储存能量。那么，还有什么比以人类肌肉为模型，并尝试对其进行再创造更明显的呢？

因此，人造肌肉的功能是以生物学为基础的。与天然肌肉一样，人造肌肉也会在电脉冲的作用下收缩。

不过，人造肌肉不是由细胞和纤维组成，而是由一个充满液体（通常是油）的小袋组成，小袋的外壳部分覆盖着电极。

当这些电极接收到电压时，它们就会聚在一起，将液体推入小袋的其他部分，小袋就会弯曲，从而能够举起重物。

单个液袋就好比一束短短的肌肉纤维；几个液袋可以连接起来，形成一个完整的推进元件，这也被称为致动器或简单的人造肌肉。

电压过高

开发人造肌肉的想法并不新鲜，但直到现在，实现这一想法还存在一个主要障碍：静电致动器只能在大约 6000 到 10000 伏特的极高电压下工作。

这一要求造成了一些后果：例如，肌肉必须连接到又大又重的电压放大器上；它们不能在水中工作；它们对人体也不完全安全。

现在，苏黎世联邦理工学院机器人学教授罗伯特-卡茨施曼（Robert Katzschmann）与斯蒂芬-丹尼尔-格拉弗特（Stephan-Daniel Gravert）、埃利亚-瓦里尼（Elia Varini）和其他同事一起开发出了一种新的解决方案。他们在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的人工肌肉版本，该版本具有多项优势。

在卡茨舒曼实验室担任科学助理的格拉夫特为小袋设计了一个外壳。研究人员称这种新型人造肌肉为 HALVE 驱动器，HALVE 是 "液压放大低压静电 "的缩写。

"在其他致动器中，电极位于外壳外部。在我们的产品中，外壳由不同的层组成。我们采用了一种高导铁电材料，即一种可以存储相对较大电能的材料，并将其与一层电极结合在一起。接下来，我们在其表面涂上一层聚合物外壳，这种外壳具有出色的机械性能，能使小袋更加稳定。"Gravert 解释说。

这意味着研究人员可以降低所需的电压，因为铁电材料的介电常数要高得多，尽管电压很低，也能产生很大的力。Gravert 和 Varini 不仅共同开发了 HALVE 执行器的外壳，而且还在实验室里亲手制造了执行器，并将其用于两个机器人中。

抓手和鱼展示肌肉的作用

其中一个机器人实例是一个 11 厘米高、有两个手指的机械手。每根手指都由三个串联的 HALVE 执行器小袋驱动。一个小型电池供电装置为机器人提供 900 伏电压。电池和电源加在一起仅重 15 克。

整个机械手（包括电源和控制电子元件）重 45 克。当用绳索将一个光滑的塑料物体吊到空中时，机械手可以牢牢地抓住该物体，足以支撑其自身的重量。

"这个例子充分展示了 HALVE 执行器的小巧、轻便和高效。这也意味着，我们距离创建集成肌肉操作系统的目标又迈进了一大步，"Katzschmann 满意地说。

第二个物体是一个像鱼一样的游泳器，差不多有 30 厘米长，可以在水中平稳地移动。它由装有电子设备的 "头部 "和连接 HALVE 执行器的柔性 "身体 "组成。

这些致动器以一定的节奏交替运动，从而产生游泳动作。这条自主鱼可以在 14 秒内从静止状态游到每秒 3 厘米的速度--这还是在普通的自来水中。

防水和自密封

第二个例子非常重要，因为它展示了 HALVE 执行器的另一个新特性：由于电极不再置于外壳之外不受保护，人工肌肉现在可以防水，也可以在导电液体中使用。

"这条鱼说明了这些致动器的一个普遍优势--电极受到保护，不受环境影响，反之，环境也受到保护，不受电极影响。因此，您可以在水中操作或触摸这些静电致动器。"Katzschmann 解释说。

小袋的分层结构还有另一个优点：新型致动器比其他人造肌肉更加坚固耐用。在理想情况下，小袋应该能够实现大量运动，而且运动速度要快。然而，即使是最小的生产误差，如电极间的一粒灰尘，也会导致电气故障--一种微型雷击。

"早期的型号出现这种情况时，电极会燃烧，在外壳上形成一个洞。"Gravert 说道。

HALVE 推杆解决了这一问题，因为有了塑料保护外层，单孔基本上可以自动关闭。因此，即使在发生电气故障后，小袋通常仍能完全正常工作。

两位研究人员显然很高兴能在人造肌肉的开发上迈出决定性的一步，但他们也很现实。

正如卡茨施曼所说："现在我们必须为大规模生产这项技术做好准备，而在 ETH 实验室里我们无法做到这一点。在不透露太多情况的前提下，我可以说，我们已经收到了一些公司希望与我们合作的意向书。"

例如，人造肌肉有朝一日可以用于新型机器人、假肢或可穿戴设备；换句话说，用于穿戴在人体上的技术。