意大利面為柔性驅(qū)動器帶來新思路驅(qū)動器收縮效率可達(dá)45%

對每一位從事機(jī)器人技術(shù)研究的人來說，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)動方式，恐怕都是夢寐以求的。有了柔軟靈敏且功能強(qiáng)大的驅(qū)動技術(shù)，機(jī)器人的能力也會相應(yīng)提高數(shù)倍，甚至還會更柔軟。

而目前的主要趨勢是，科學(xué)家們會從自然界尋找靈感，通過模仿生物的某個器官，來制造出更強(qiáng)大的驅(qū)動技術(shù)和柔性更高的機(jī)器人——也就是我們所說仿生原理。

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

目前在市場上的驅(qū)動器，綜合能力最強(qiáng)的可能就是電動馬達(dá)驅(qū)動器和液壓驅(qū)動器，盡管它們的反應(yīng)速度已經(jīng)很快，驅(qū)動能力也已經(jīng)很強(qiáng)，但這些驅(qū)動器都有一個共同的缺陷：那就是它們的剛性構(gòu)造、以及強(qiáng)硬而無法變形的身體，使得它們在人類肌肉面前有時候顯得死板而笨拙，比如它們無法像人類肌肉那樣在遇到障礙時，通過變形來通過障礙或繞開障礙，也無法行走于某些復(fù)雜的蜿蜒崎嶇的路線。

可以說，這些功能反應(yīng)都不錯的剛性驅(qū)動器，曾催生出一系列突破性的新型機(jī)器人的問世。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越多樣且細(xì)致，這些剛性驅(qū)動器已無法滿足機(jī)器人技術(shù)的需要。人們需要功能強(qiáng)大的柔性驅(qū)動器，來制作更加仿生的機(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)動器領(lǐng)域科學(xué)家們有了新的突破?？茖W(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)動器，這種彈弓通心粉形狀的驅(qū)動器，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了人類骨骼肌。

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

研發(fā)出這種柔性驅(qū)動器的科學(xué)家，是來自北亞利桑那大學(xué)機(jī)械工程系動態(tài)主動系統(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《通過拉伸、纏繞和旋繞聚合物管制成的彈弓通心粉型人造肌肉》。

A: 彈弓通心粉； B: 形狀簡單的可拉伸聚合物管；C-H：開發(fā)出來的由簡單的拉伸聚合物制作出來的彈弓通心粉形狀的執(zhí)行器

下面用圖片來介紹這款“彈弓通心粉型人工肌肉”，上圖中的A就是在西餐桌上經(jīng)常會見到的彈弓通心粉，而B圖則是這款驅(qū)動器的原材料，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)動器，這款”彈弓通心粉型人工肌肉”，也就是上圖中的C-H。

簡單的拉伸聚合物制作出來的彈弓通心粉形狀的執(zhí)行器

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)動器可以產(chǎn)生功率會變得更高，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5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)動器界曾經(jīng)的明星——扭曲聚合物驅(qū)動器（TPA）。說到扭曲聚合物驅(qū)動器（TPA），它的初次問世可以說給驅(qū)動器界帶來了一場革新，因?yàn)樗δ軓?qiáng)大卻輕巧，而且價格還很便宜，很適合在機(jī)器人工業(yè)中大量使用，可以說是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直夢寐以求的驅(qū)動器。

可惜它有兩個致命的缺點(diǎn)，一個是反應(yīng)緩慢，因?yàn)楸仨氁粩嘟o驅(qū)動器進(jìn)行加熱和冷卻才能使驅(qū)動器向外做功，另一個致命缺點(diǎn)是它們的效率太低，只有大約2/100，也就是說只有2%的電能可以轉(zhuǎn)換成驅(qū)動器向外輸出的機(jī)械動能。

而彈弓通心粉的發(fā)明者們克服這兩個技術(shù)難題的思路是，通過使用加壓流體驅(qū)動，來克服扭曲聚合物驅(qū)動器（TPA）自身的缺陷。使用加壓流體驅(qū)動后，驅(qū)動器的反應(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TPA的效率的改進(jìn)——改進(jìn)后的驅(qū)動器的在進(jìn)行收縮操作時，可達(dá)到高達(dá)45%的收縮效率，也就是說45%的電能都可以成功轉(zhuǎn)化成為收縮動作需要的動能。45%的收縮效率，在柔性驅(qū)動器領(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)將會給柔性機(jī)器人領(lǐng)域帶來巨大的革新。

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，并帶來更多的可能性，比如說用于步行機(jī)器人上，機(jī)器人的動作將更加柔軟。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。