人造肌肉成就“软机器人”：电压低，希望高

翻译：付超

审校：心

原文：sciencedaily

概要：科学家研究出了一种绝缘高弹性体，可以进行多种方式的运动，只需要很低的电压，而且不需要坚硬的机械构件。这一种机械促动器可以用在很多方面，包括可穿戴设备、软抓取器械、腹腔检查手术用具、甚至是没有机械构件的“软机器人”或者复杂机器人身上的人造肌肉。

由软性可伸展的高弹性材料、碳纳米管电极层叠组成的人造肌肉。这一种机械促动器可以用在很多方面，包括可穿戴设备、软抓取器械、腹腔检查手术用具、甚至是没有机械构件的“软机器人”或者复杂机器人身上的人造肌肉。

“软机器人”擅长做很多事情，但人们还不能确切知道它们的动作速度。驱动软机器人的人造肌肉被称为促动器（actuator），倾向于依靠液压和气压进行驱动，动作响应速度非常慢，并且难以储存。

绝缘高弹性体是一种具有良好绝缘性能的软性材料，它可以取代气压促动器，但目前它的运行还需要复杂低效的电路，需要较高电压和硬质的机械构件进行支撑——这两点都与软机器人的初衷相悖。

日前，哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）开发出了一种一种绝缘高弹性体，可以进行多种方式的运动，只需要很低的电压，而且不需要坚硬的机械构件。他们最近在《高等材料》上发表了这一成果。

在创造这一种新的绝缘高弹性体材料的过程中，这个团队结合了两种已知的材料，这两种材料单独使用时都可良好运作：一种基于UCLA大学开发的成果的高弹性体，它不需要机械构件进行支撑，另一种是Clarke实验室开发出的碳纳米管电极。两种材料各自的特性相互补，使其性能优于传统的绝缘高弹性体促动器。

大部分绝缘高弹性体只有有限的运动范围，并且需要依靠机械框架进行预拉伸。本项研究始于一种不需要预拉伸的高弹性体，是由UCLA的研究者开发出来的。这种优化后的材料初始为液态，在紫外线照射下分子迅速卷曲形成像纸张一样的薄片。这些薄片像双面胶带一样具有粘性，因此可以很好地彼此贴合，还能让电极附着其上。

在电极方面，团队没有使用在传统绝缘高弹性体中充当电极的碳涂层，而是铺设了一层薄薄的碳纳米管。纳米管不会增加高弹性体的硬度，同时也不会降低能量密度——意味着保持高弹性体的延展性同时为其提供强大的动力。团队将多层这样的高弹性体叠放安装在一起，形成了三明治一样的多层结构，高弹性体与电极层交替叠放。这样，每一层电极对其上和其下两层高弹性体都能起到驱动作用。

“用于驱动绝缘高弹性体的电压与材料层的厚度直接相关，因此为了降低电压，就要把绝缘高弹性体做得尽量薄，”Duduta说，“但高弹性体厚度太薄就会变得脆弱，无法产生强大的力的作用。”“我们所做工作的意义在于，将这两种材料相结合并进行加工，使得当下绝缘高弹性材料的两个技术限制得以突破——也就是对于高电压和预拉伸的需求。”Clarke说。

这一种机械促动器可以用在很多方面，包括可穿戴设备、软抓取器械、腹腔检查手术用具、甚至是没有机械构件的“软机器人”或者复杂机器人身上的人造肌肉。

“促动器是机器人领域的难点之一，”Wood说，“现存大量的机器人都依赖于传统的电磁旋转式马达。在无法使用这类马达的情况下，比如软机器人，我们几乎找不到高性能的替代促动器。这次电控软性促动器研究的突破，使我们距离工程系统中类肌肉促动器的出现更近了一步，也为我们打开了在更多领域中应用软机器人的大门。”