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人造肌肉给软机器人超级大国

发布于:2019-04-24 12:18

  软机器人在过去十年中实现了跨越式发展,因为世界各地的研究人员已经尝试了不同的材料和设计,以允许曾经刚性,不稳定的机器弯曲和弯曲,模仿并可​​以更自然地与生物体相互作用。然而,增加的柔韧性和灵活性具有降低强度的权衡,因为较软的材料通常不像非柔性材料那样强或有弹性,这限制了它们的使用。

  现在,哈佛大学Wyss研究所和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员创造了折纸激发的人造肌肉,为软机器人增加了力量,使他们能够使用自身重量提升1000倍的物体。只有空气或水压。该研究将于本周在美国国家科学院院刊(PNAS)上发表。

  “我们对执行器(又称”肌肉“)的强度感到非常惊讶。我们预计他们的最大功能重量将高于普通的软机器人,但我们没想到会增加一千倍。这就像给予这些机器人超级大国,“麻省理工学院电子工程和计算机科学的Andrew和Erna Viterbi教授,该论文的高级作者之一Daniela Rus博士说。

  “人造肌肉式执行器是所有工程中最重要的挑战之一,”该论文的对应作者,Wyss研究所的创始核心教员,同时也是查尔斯河的Rob Wood博士补充道。哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)工程与应用科学教授。“现在我们已经创造了具有类似于天然肌肉特性的执行器,我们可以想象几乎可以为任何任务构建几乎任何机器人。”

  每个人造肌肉由内部“骨架”组成,内部“骨架”可以由各种材料制成,例如金属线圈或折叠成特定图案的塑料片,被空气或流体包围并密封在塑料或纺织袋内,用作塑料或纺织袋。皮肤。” 施加到袋子内部的真空通过使皮肤塌陷到骨架上来引发肌肉的运动,产生驱动运动的张力。令人难以置信的是,不需要其他动力源或人力输入来指导肌肉的运动; 它完全取决于骨架的形状和组成。

  “这些肌肉的一个关键方面是它们是可编程的,因为设计骨架折叠如何定义整个结构的运动方式。你基本上可以免费获得这个动作,而不需要控制系统,”第一作者李曙光博士,Wyss研究所和麻省理工学院CSAIL的博士后研究员。这种方法使肌肉非常紧凑和简单,因此更适合不能容纳大型或重型机械的移动或身体安装系统。

  “当创造机器人时,人们总是要问,智能在哪里 - 它在体内还是在大脑中?”罗斯说。“将智能融入身体(通过特定的折叠模式,在我们的执行器的情况下)有可能简化指导机器人实现其目标所需的算法。所有这些执行器都具有相同的简单开/关开关,他们的然后,身体转化为广泛的动作。“

  该团队使用从金属弹簧到泡沫包装材料到塑料薄片的材料构建了数十块肌肉,并尝试了不同的骨架形状,以创造可收缩至原始尺寸10%的肌肉,将精致的花朵抬离地面,扭转成一个线圈,只需将空气吸出即可。

  人造肌肉不仅可以通过多种方式移动,而且具有令人印象深刻的弹性。与哺乳动物的骨骼肌相比,它们每单位面积产生的力大约是其六倍,而且重量也非常轻; 一个2.6克的肌肉可以举起一个3公斤的物体,这相当于一只开着车的野鸭。此外,使用价格低于1美元的材料,可以在十分钟内构建单个肌肉,使其便宜且易于测试和迭代。

  这些肌肉可以通过真空提供动力,这使得它们比目前正在测试的大多数其他人造肌肉更安全。“软机器人的许多应用都以人为本,因此考虑安全性当然很重要,”该论文的合着者,Wyss研究所的研究工程师Daniel Vogt说。“基于真空的肌肉具有较低的破裂,衰竭和损伤风险,并且在操作时不会扩张,因此您可以将它们整合到人体上更紧密的机器人中。”

  “除了具有类似肌肉的特性外,这些软驱动器具有很高的可扩展性。我们已经建造了几毫米到一米的尺寸,它们的性能可以全面提升,”Wood说。这一特征意味着肌肉可用于多种尺度的多种应用,例如微型手术设备,可穿戴机器人外骨骼,可变形建筑,用于研究或建造的深海操纵器,以及用于太空探索的大型可展开结构。

  该团队甚至能够用水溶性聚合物PVA构建肌肉,这开启了机器人可以在自然环境中执行任务的可能性,对环境的影响最小,以及可移动的机器人移动到身体的适当位置然后溶解释放药物。“这些可能性实际上是无限的。但是我想用这些肌肉建造的下一件事就是一个大象机器人,它的行李箱可以像你在真正的大象身上那样灵活有力地操纵世界,”罗斯说。 。pt老虎机试玩

  “通过哈佛大学伍德实验室和麻省理工学院Rus小组之间合作开发的执行器体现了Wyss从大自然中获取灵感而不受其惯例限制的方法,这可以使系统不仅模仿自然,而且超越它, “Wyss研究所的创始主任Donald Ingber博士,医学博士,博士,也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及SEAS的生物工程教授。

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