低成本执行器为人造“肌肉”带来新变化，让机器人更安全、更柔软

Josiah02 · 发表于 2024-7-11 08:46:14

　　西北大学的工程师开发出一种新型柔软、灵活的装置，可以使机器人通过伸展和收缩来移动，就像人类的肌肉一样。
　　为了展示他们的新设备（称为致动器），研究人员使用它来制造一个圆柱形、类似蠕虫的软机器人和一个人造二头肌。在实验中，圆柱形软机器人在狭窄的管道状环境中沿着急弯方向移动，而二头肌能够连续举起 500 克的重物 5,000 次而不会失败。
　　由于研究人员使用普通橡胶 3D 打印了软执行器的主体，因此最终的机器人材料成本约为 3 美元，不包括驱动执行器形状变化的小型电机。这与机器人中使用的典型刚性执行器形成了鲜明对比，后者的成本通常高达数百至数千美元。
　　研究人员表示，这种新型执行器可用于开发廉价、柔软、灵活的机器人，对于实际应用来说，这种机器人更安全、更实用。
　　该研究于7 月 8 日发表在《先进智能系统》杂志上。
　　领导这项研究的西北大学的瑞安·特鲁比 (Ryan Truby) 说：“机器人专家的长期目标就是让机器人更安全。”
　　“如果软机器人撞到人，伤害不会像被坚硬的机器人撞到那么大。我们的执行器可用于更适合以人为中心的环境的机器人。而且，由于它们价格低廉，我们有可能以历史上成本过高的方式更多地使用它们。”
　　Truby 是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程和机械工程的 June and Donald Brewer 初级教授，他在那里指导机器人物质实验室。Truby 实验室的博士后学者、论文第一作者 Taekyoung Kim 领导了这项研究。机械工程博士候选人 Pranav Kaarthik 也参与了这项工作。
　　“行为和移动方式与生物体相似”的机器人
　　虽然刚性执行器长期以来一直是机器人设计的基石，但其有限的灵活性、适应性和安全性促使机器人专家探索软执行器作为替代方案。为了设计软执行器，Truby 和他的团队从人类肌肉中汲取灵感，因为人类肌肉可以同时收缩和僵硬。
　　“如何制造出能像肌肉一样移动的材料？”特鲁比问道。“如果我们能做到这一点，那么我们就能制造出像生物体一样行动和移动的机器人。”
　　为了开发新的执行器，该团队用橡胶 3D 打印了圆柱形结构，称为“手性剪切膨胀体”（HSA）。HSA 难以制造，其结构复杂，可实现独特的运动和特性。例如，扭曲时，HSA 会伸展和膨胀。虽然 Truby 和 Kaarthik 过去曾为机器人 3D 打印过类似的 HSA 结构，但他们必须使用昂贵的打印机和硬质塑料树脂。因此，他们之前的 HSA 无法轻易弯曲或变形。
　　“为了实现这一目标，我们需要找到一种方法，使 HSA 更柔软、更耐用，”Kim 说道。“我们想出了如何使用更便宜、更容易获得的桌面 3D 打印机，用橡胶制造出柔软但坚固的 HSA。”
　　Kim 用热塑性聚氨酯（一种常用于手机外壳的普通橡胶）打印 HSA。虽然这使得 HSA 更加柔软和灵活，但仍有一个挑战：如何扭转 HSA 以使其伸展和膨胀。
　　以前版本的 HSA 软执行器使用普通伺服电机将材料扭转成伸展和膨胀状态。但研究人员只有在组装两个或四个 HSA（每个都有自己的电机）后才能成功驱动。以这种方式构建软执行器带来了制造和操作挑战。它还降低了 HSA 执行器的柔软度。
　　为了制造改进的软执行器，研究人员旨在设计一个由一台伺服电机驱动的单个 HSA。但首先，该团队需要找到一种方法来让单个电机扭转单个 HSA。
　　单个执行器可拉伸和弯曲。
　　简化“整个流程”
　　为了解决这个问题，Kim 在结构中增加了一个柔软、可伸缩的橡胶波纹管，其作用类似于可变形的旋转轴。当电机提供扭矩（一种使物体旋转的动作）时，执行器就会伸展。只需朝一个方向或另一个方向转动电机，就可以驱动执行器伸展或收缩。
　　“本质上，Taekyoung 设计了两个橡胶部件，通过马达的转动产生类似肌肉的运动，”Truby 说。“虽然该领域已经以更麻烦的方式制造了软执行器，但 Taekyoung 通过 3D 打印大大简化了整个流程。现在，我们有了一个实用的软执行器，任何机器人专家都可以使用和制造。”
　　波纹管为 Kim 提供了足够的支撑，使他能够通过一个可以自行移动的执行器构建一个爬行软机器人。执行器的推拉运动推动机器人在模拟管道的弯曲受限环境中前进。
　　“我们的机器人可以使用单一结构进行这种伸展运动，”Kim 说道。“这使得我们的执行器更加有用，因为它可以普遍集成到所有类型的机器人系统中。”
　　缺失的部分：肌肉僵硬
　　由此产生的蠕虫状机器人体积小巧（长度仅为 26 厘米），爬行速度（前后）仅为每分钟 32 厘米。特鲁比指出，当执行器完全伸展时，机器人和人造二头肌都会变得更硬。这是之前的软机器人无法实现的另一个特性。
　　“就像肌肉一样，这些软执行器实际上会变硬，”特鲁比说。“例如，如果你曾经拧开罐子的盖子，你就会知道你的肌肉会收紧并变得更硬以传递力量。这就是你的肌肉帮助你的身体工作的方式。这是软机器人中一个被忽视的功能。许多软执行器在使用时会变得更软，但我们的柔性执行器在运行时会变得更硬。”
　　Truby 和 Kim 表示，他们的新型执行器向着更具仿生启发的机器人又迈进了一步。
　　特鲁比说：“能够像生物体一样移动的机器人将使我们能够想象机器人执行传统机器人无法完成的任务。”

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