柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域科學(xué)家們有了新的突破

對(duì)每一位從事機(jī)器人技術(shù)研究的人來(lái)說(shuō)，讓機(jī)器人擁有最快、最強(qiáng)大、最柔軟、最靈敏，效率最高且成本最低的驅(qū)動(dòng)方式，恐怕都是夢(mèng)寐以求的。有了柔軟靈敏且功能強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，機(jī)器人的能力也會(huì)相應(yīng)提高數(shù)倍，甚至還會(huì)更柔軟。

而目前的主要趨勢(shì)是，科學(xué)家們會(huì)從自然界尋找靈感，通過(guò)模仿生物的某個(gè)器官，來(lái)制造出更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和柔性更高的機(jī)器人——也就是我們所說(shuō)仿生原理。

基于仿生原理，科學(xué)家經(jīng)常會(huì)模仿人類肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為，來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部件。在理想情況下，設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)部件甚至?xí)热祟惖募∪飧鼜?qiáng)大，反應(yīng)更快、柔性更高。

目前在市場(chǎng)上的驅(qū)動(dòng)器，綜合能力最強(qiáng)的可能就是電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器和液壓驅(qū)動(dòng)器，盡管它們的反應(yīng)速度已經(jīng)很快，驅(qū)動(dòng)能力也已經(jīng)很強(qiáng)，但這些驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)共同的缺陷：那就是它們的剛性構(gòu)造、以及強(qiáng)硬而無(wú)法變形的身體，使得它們?cè)谌祟惣∪饷媲坝袝r(shí)候顯得死板而笨拙，比如它們無(wú)法像人類肌肉那樣在遇到障礙時(shí)，通過(guò)變形來(lái)通過(guò)障礙或繞開(kāi)障礙，也無(wú)法行走于某些復(fù)雜的蜿蜒崎嶇的路線。

可以說(shuō)，這些功能反應(yīng)都不錯(cuò)的剛性驅(qū)動(dòng)器，曾催生出一系列突破性的新型機(jī)器人的問(wèn)世。但是，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，機(jī)器的種類也變得越來(lái)越多樣且細(xì)致，這些剛性驅(qū)動(dòng)器已無(wú)法滿足機(jī)器人技術(shù)的需要。人們需要功能強(qiáng)大的柔性驅(qū)動(dòng)器，來(lái)制作更加仿生的機(jī)器人，或者是更優(yōu)秀的仿生假肢。

而就在最近，在柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域科學(xué)家們有了新的突破。科學(xué)家們從彈弓通心粉找到了靈感， 模仿這種意大利面的形狀制作出了一種柔性驅(qū)動(dòng)器，這種彈弓通心粉形狀的驅(qū)動(dòng)器，已擁有接近人類肌肉的靈活性與適應(yīng)性，甚至在某些方面還超過(guò)了人類骨骼肌。

由于因?yàn)檫@種驅(qū)動(dòng)器的形狀與彈弓通心粉相似，驅(qū)動(dòng)器的發(fā)明人將這種驅(qū)動(dòng)器命名為“彈弓通心粉型人工肌肉”。

研發(fā)出這種柔性驅(qū)動(dòng)器的科學(xué)家，是來(lái)自北亞利桑那大學(xué)機(jī)械工程系動(dòng)態(tài)主動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的副教授（兼校友） Michael Shafer和Heidi Feigenbaum 教授，以及研究生研究員 Diego Higueras-Ruiz。他們的這項(xiàng)研究成果，也發(fā)表在了《科學(xué)機(jī)器人》上，論文名為《通過(guò)拉伸、纏繞和旋繞聚合物管制成的彈弓通心粉型人造肌肉》。

圖 | A：彈弓通心粉 （Cavatappi）；B： 形狀簡(jiǎn)單的可拉伸聚合物管；C-H：開(kāi)發(fā)出來(lái)的由簡(jiǎn)單的拉伸聚合物制作出來(lái)的彈弓通心粉形狀的執(zhí)行器（來(lái)源：北亞利桑那大學(xué)）

下面用圖片來(lái)介紹這款“彈弓通心粉型人工肌肉”，上圖中的 A 就是在西餐桌上經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到的彈弓通心粉，而 B 圖則是這款驅(qū)動(dòng)器的原材料，即“可拉伸聚合物管”，使用這種原材料，科學(xué)家們將它進(jìn)行各種加工、變形，就有了不同模樣的驅(qū)動(dòng)器，這款“彈弓通心粉型人工肌肉”，也就是上圖中的 C-H。

為什么要選擇彈弓通心粉形狀呢？這其中的奧秘在于，具備彈弓通心粉的螺旋形結(jié)構(gòu)后，驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生功率會(huì)變得更高，科學(xué)家們已經(jīng)在研究的初期證明，彈弓通心粉狀人工肌肉可以產(chǎn)生擁有比人類的骨骼肌高十倍的特定功，且擁有比人體骨骼肌高五倍的功率指標(biāo)。

并且隨著它們的不斷發(fā)展，他們期望產(chǎn)生更高水平的性能。擁有這樣強(qiáng)大的特性，我們不難想象，彈弓通心粉人工肌肉技術(shù)將會(huì)很快受到生物工程和機(jī)器人應(yīng)用的青睞，而且今后隨著研究的進(jìn)一步推進(jìn)，它的功能還會(huì)更加強(qiáng)大。

這款彈弓通心粉人工肌肉技術(shù)的前身，是驅(qū)動(dòng)器界曾經(jīng)的明星——扭曲聚合物驅(qū)動(dòng)器 （TPA）。說(shuō)到扭曲聚合物驅(qū)動(dòng)器 （TPA），它的初次問(wèn)世可以說(shuō)給驅(qū)動(dòng)器界帶來(lái)了一場(chǎng)革新，因?yàn)樗δ軓?qiáng)大卻輕巧，而且價(jià)格還很便宜，很適合在機(jī)器人工業(yè)中大量使用，可以說(shuō)是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直夢(mèng)寐以求的驅(qū)動(dòng)器。

可惜它有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，一個(gè)是反應(yīng)緩慢，因?yàn)楸仨氁粩嘟o驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行加熱和冷卻才能使驅(qū)動(dòng)器向外做功，另一個(gè)致命缺點(diǎn)是它們的效率太低，只有大約百分之二，也就是說(shuō)只有 2% 的電能可以轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器向外輸出的機(jī)械動(dòng)能。

而彈弓通心粉的發(fā)明者們克服這兩個(gè)技術(shù)難題的思路是， 通過(guò)使用加壓流體驅(qū)動(dòng)，來(lái)克服扭曲聚合物驅(qū)動(dòng)器 （TPA） 自身的缺陷。使用加壓流體驅(qū)動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)器的反應(yīng)速度可以和泵送流體的速度一樣快。

而且最大的改進(jìn)是對(duì) TPA 的效率的改進(jìn)——改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)器的在進(jìn)行收縮操作時(shí)，可達(dá)到高達(dá) 45％ 的收縮效率，也就是說(shuō) 45% 的電能都可以成功轉(zhuǎn)化成為收縮動(dòng)作需要的動(dòng)能。45％ 的收縮效率，在柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域中已經(jīng)是非常高的數(shù)字了。

盡管還在研發(fā)階段，但是彈弓通心粉人工肌肉已經(jīng)正在受到各界的追捧與矚目。不難想象，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)給柔性機(jī)器人領(lǐng)域帶來(lái)巨大的革新。

不僅如此，在剛性機(jī)器人領(lǐng)域，其應(yīng)用也將提升機(jī)器人的性能，并帶來(lái)更多的可能性，比如說(shuō)用于步行機(jī)器人上，機(jī)器人的動(dòng)作將更加柔軟。此外，還可以將其應(yīng)用于輔助技術(shù)，比如制造出更靈敏柔軟的外骨骼或假肢上。

原文標(biāo)題：意大利面為柔性驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)新思路，驅(qū)動(dòng)器收縮效率可達(dá)45%

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