哈佛大学开发出人造肌肉，成就“柔性机器人”

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像好莱坞大片《超能陆战队》中的机器人“大白”一样，“柔性”机器人（Soft robots）有许多优点。但柔性机器人往往存在一个问题——他们太慢了！

控制驱使“柔性”机器人进行各种预定动作的人造肌肉叫做执行器。现有的执行器通常由液压或气压传动，有响应慢、能量储存难等缺点。

介电弹性体作为绝缘性能良好的柔性材料可以代替气压执行器。然而，现有的介电弹性体需要复杂和低效的电路为其提供高电压，以及刚性部件来维持其形态——这两点都与柔性机器人的初衷背道而驰。

现在，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科研人员开发出了一种新型介电弹性体，并在《高等材料》（Advanced Materials）上发表了他们的科研成果。

这种新型材料只需要很低的电压支持，而且不需要刚性部件，就可以实现大范围的运动。

“我们认为这种材料有潜力成为制造柔性机器人的理想材料，”SEAS的研究生、同时也是论文的第一作者的米舒·杜图塔（MishuDuduta）如是说，“电力易于储存和传递，但此前的问题是，驱动柔性机器人执行器所需的电场太强。我们的研究通过降低驱动电压、提高能量密度，并去除刚性部件，成功解决了柔性执行器领域的许多问题。”

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图中为使用柔软、可延展的弹性体和碳纳米管电极夹层结构制造的人造肌肉。此类执行器可应用于制造可穿戴设备、柔性夹具、外科手术工具、柔性机器人以及其他机器人的柔性部件。图片版权： Peter Allen/Harvard SEAS

杜图塔的论文共同作者还包括哈佛大学工程与应用科学学院教授罗伯特·伍德（Robert Wood）以及材料学教授大卫·克拉克（David Clarke）。在研发该新型介电弹性体的过程中，杜图塔所在的团队结合了两种单独使用时都表现良好的现有的材料。其中一种是基于加州大学洛杉矶分校（UCLA）研发的成果开发的无需刚性结构的弹性体，另一种是克拉克实验室开发的碳纳米管电极。这两种材料的特性互补，进而使新材料的性能优于传统的介电弹性体执行器。

此前，大部分介电弹性体的运动范围有限，并且需要被预拉伸，以及需要被连接到刚性框架。基于加州大学洛杉矶分校研发的一种无需被预拉伸的弹性体，这种优化后的新材料初始为液态，并可在紫外光下迅速固化进而制成和薄如纸的薄片。这些薄片像双面胶带一样具有粘性，因而不仅可以很好地彼此贴合，还可以让电极附着其上。

在电极方面，杜图塔所在的团队用一层薄薄的碳纳米管取代了传统介电弹性体中充当电极的碳润滑脂。由于纳米管既不会增加弹性体的硬度，也不会降低能量密度，它在保证了弹性体延展性的同时，也为其提供强大的动力。

该团队将这样的弹性体叠放在一起，从而制成了一个弹性体-电极-弹性体不断交替的多层夹层结构。由此，每一层电极对其上下两层的弹性体都能起到双向驱动作用。

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图中为使用柔软、可延展的弹性体和碳纳米管电极夹层结构制造的人造肌肉。此类执行器可应用于制造可穿戴设备、柔性夹具、外科手术工具、柔性机器人以及其他机器人的柔性部件。图片版权： Peter Allen/Harvard SEAS

关于新材料的意义，杜图塔解释说，“驱动介电弹性体的电压与材料的厚度直接相关。因此，为了降低电压，就要把介电弹性体做得尽可能的薄，但过薄的弹性体很脆弱，并且无法产生足够的作用力。”

另外，论文的共同作者之一克拉克也指出， “我们工作的意义在于，通过对两种材料的结合与加工，突破了当下介电弹性材料的两个技术难题——即对于高电压和预拉伸的需求。”

杜图塔指出，他们研发的新型执行器可应用于制造可穿戴设备、柔性夹具、外科手术工具、柔性机器人以及其他机器人的柔性部件。

论文的另一共同作者伍德指出，“驱动技术是机器人技术面临的最大挑战之一。” 伍德表示，绝大多数现有的机器人依靠传统的电磁回转马达驱动。在无法使用这类马达的情况下，比如柔性机器人，几乎找不到其他高性能驱动技术作为替代。

此次，在电控柔性执行器研究上的突破，让我们距离工程系统中仿生肌肉执行器的出现更近了一步，也为柔性机器人打开了实用性的大门。