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  随着柔性机器人的迅速发展,人们越来越意识到,冰冷、僵硬只是我们对机器人的刻板印象。



  哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与美国马里兰大学 Norman M. Wereley 教授团队团队受到象鼻的启发,基于气动人工肌肉,共同研制出了一种新型柔性机器人。

  气动人工肌肉,是人造肌肉(artificial muscle)的一种。人造肌肉即电活性聚合物,是一种新型智能高分子材料,是根据生物学原理由缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸这 3 种氨基酸按一定顺序排列构成,可在外加电场下通过内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀,非常接近生物的肌肉纤维。

  而气动人工肌肉,从字面意思上理解就是,由外部的压缩空气驱动进行推拉动作的人造肌肉,具有柔顺性、轻量性、绿色性等优势。这一材料重量轻(最小仅为 10g),却能提供很大的力量,用“四两拨千斤”来形容它再合适不过了。

  实际上,由于具有与生物肌肉纤维相似的仿生编织结构、与骨骼肌相似的特性,气动人工肌肉在软体仿生机器人、变刚度静水骨骼等领域都得到了广泛的应用。此外,这类材料在医学、机器人、军事、航天、光学等领域都发挥着重要作用,具有巨大的商业潜力。



气动人工肌肉 图源百度百科


  “仿象鼻”柔性机器近年来,曾有不少研究团队受花瓣、猎鹰、蛇、鸽子、鱼、兔子等等的启发,设计出多种形态的柔性机器人。而此次哈工大研究团队受到象鼻的启发,设计了新型的柔性机器人。



  研究团队指出,气动人工肌肉运动在一定程度上仅局限于单轴收缩和拉伸,这也限制了其发展。

  为此,该团队在可伸展/收缩的气动人工肌肉的基础上设计了新型的弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉(HE-PAMs/HC-PAMs)。

  根据论文,HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、弹性管、编织管和嵌入式柔性框架组成(如下图)。



  当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀时,将产生绕轴的弯曲、旋转运动,使致动器产生螺旋变形,类似我们曾在动物园见过的象鼻弯曲旋转的运动过程。

  而区分伸展还是收缩,主要取决于「编织角度」——编织角度 > 54.74 度时为 HE-PAMs(下图 i);编织角度 < 54.74 度时为 HC-PAMs(下图 ii)。



  在此基础之上,研究团队通过一个仿象鼻的高自由度柔性臂来探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性机器人领域的潜在应用。研究人员表示,HC-PAMs 输出、负载能力很强,而 HE-PAMs 可产生更多的变形。



  值得一提的是,这一研究提出了统一的理论方法,将会为其他研究人员提供可靠的参考——该团队通过实验、分析,建立了气动人工肌肉的广义弯曲行为模型,并在相同的理论框架下研究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性。

  据了解,轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉可以广泛地应用于各个方向,比如软体分类机器人、搜索机器人、生物机器人、运动辅助外骨骼、力反馈可穿戴设备等等。

  实际上,人造肌肉材料已成为当今研究的前沿和热门,这与人们对柔性机器人领域越来越多的关注密不可分。虽然现阶段柔性机器人领域仍比较“概念化”,但其应用前景广泛,未来必将会带来新的变革。

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