哈工大造出能和象鼻一样运（yùn）动的柔性机器人

随着柔性机器人的迅速发展，人们越来（lái）越意识到，冰冷、僵硬只（zhī）是我（wǒ）们对（duì）机器人的刻板（bǎn）印象。近日，国际著（zhe）名期（qī）刊 Soft Robotics 刊登了哈尔滨工业大（dà）学冷（lěng）劲松教授团队与美国马里（lǐ）兰大学 Norman M. Wereley 教授团队的共（gòng）同（tóng）研究成果，题（tí）为 Novel Bending and Helical Extensile/ContracTIle PneumaTIc Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻启发（fā）的新型弯曲螺旋（xuán）可伸展（zhǎn）/收缩（suō）气动人工肌肉）。

上述（shù）研究（jiū）团队受到象鼻的启发（fā），基于气（qì）动人工肌肉（PneumaTIc arTIficial muscles，PAMs），研制出了一种新型柔性机器（qì）人。在该（gāi）研（yán）究中，“气动人工（gōng）肌（jī）肉”是一个（gè）核心元素。

气动人（rén）工肌肉，是人造（zào）肌肉（artificial muscle）的一种。人造（zào）肌肉（ròu）即电活性聚合物，是一种新型智能（néng）高（gāo）分子材料，是根据生物学原理由缬氨酸、脯氨酸和甘氨（ān）酸这 3 种（zhǒng）氨基（jī）酸按一定（dìng）顺序排列构（gòu）成（chéng），可在外加电场下（xià）通（tōng）过内部结构的改变（biàn）而（ér）伸缩（suō）、弯（wān）曲、束紧或膨胀（zhàng），非常接近生物的肌肉纤维（wéi）。

而气动（dòng）人工肌肉，从字面（miàn）意思上理解（jiě）就是，由外部的压缩空（kōng）气驱动进（jìn）行推拉动作的人造肌肉（ròu），具（jù）有柔顺（shùn）性、轻量性、绿色（sè）性等优势。这一材料重（chóng）量轻（最小仅为 10g），却能提供很大的力量，用（yòng）“四两拨千斤（jīn）”来形容（róng）它（tā）再合适不过（guò）了（le）。

实际上（shàng），由于具有（yǒu）与生物肌肉纤（xiān）维相（xiàng）似的仿生编织结构、与骨骼肌相似（sì）的特性，气（qì）动人工（gōng）肌肉在软体仿生机器人、变刚度（dù）静水骨骼等（děng）领域都得到了（le）广泛的应用。此（cǐ）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（chóng）要作用，具有巨大的商业潜力。

早在（zài） 20 世纪 40 年代，科（kē）研人员（yuán）就开始对这（zhè）一领域进行研究。2019 年 7 月，MIT 科研团队还在 Science 发表论文，介绍了他们利用 2 种（zhǒng）热膨胀系数不（bú）同（tóng）的聚合物材（cái）料高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体（tǐ）制成的新型人（rén）造肌肉，这种人造肌（jī）肉一经加热，便可（kě）自（zì）由伸（shēn）缩，提起比（bǐ）其自身重 650 倍的物体。这一（yī）研究也登上了（le）当期（qī） Science 封面。

哈工大造出柔（róu）性机器人，能和象（xiàng）鼻一（yī）样灵活运（yùn）动

近年（nián）来，曾有（yǒu）不（bú）少研究团（tuán）队受花瓣、猎鹰、蛇、鸽子、鱼、兔子等等的启（qǐ）发，设计出（chū）多种形（xíng）态的柔性（xìng）机器人。而此次哈工大研究团（tuán）队（duì）受到（dào）象鼻的启（qǐ）发，设计了新型的（de）柔性（xìng）机器人。研究（jiū）团队指（zhǐ）出，气（qì）动人工肌肉运动在一定程度上仅（jǐn）局限于单轴收缩和拉伸（shēn），这也限制了其发（fā）展（zhǎn）。为此（cǐ），该团（tuán）队在可伸展/收缩的气（qì）动人工肌肉的基础上设计了新型的弯曲螺旋可（kě）伸展/收缩气动人（rén）工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀（zhàng）时，将产生（shēng）绕轴的弯（wān）曲（qǔ）、旋转运动，使致动器产生（shēng）螺（luó）旋变形（xíng），类似我们（men）曾在动物（wù）园见过的象鼻弯曲旋（xuán）转的运动（dòng）过程。在此基（jī）础之上，研究团（tuán）队通过一个仿（fǎng）象（xiàng）鼻的高自由度柔性臂来探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔（róu）性机器人领域的（de）潜（qián）在应用。研究人员表示，HC-PAMs 输（shū）出、负载能（néng）力很（hěn）强，而 HE-PAMs 可产生更多的变形（xíng）。

值（zhí）得（dé）一（yī）提的是（shì），这一研究（jiū）提出了统一的理（lǐ）论方法（fǎ），将会为（wéi）其他研究人员提供可靠的参考——该团队通过（guò）实验、分析（xī），建（jiàn）立了（le）气动（dòng）人工（gōng）肌肉（ròu）的广（guǎng）义弯曲行为模型（xíng），并在相同的（de）理论（lùn）框（kuàng）架下（xià）研究了轴向、弯曲和螺旋气动人（rén）工肌肉的特性（xìng）。据了（le）解（jiě），轴向、弯曲和（hé）螺旋（xuán）气动人工肌肉可以（yǐ）广泛（fàn）地应用于各个方向（xiàng），比如软体（tǐ）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（chuān）戴设备等等。

实际（jì）上，人造肌肉材料（liào）已成为（wéi）当今研究（jiū）的前沿和（hé）热门（mén），这（zhè）与人（rén）们对柔性机器（qì）人领域越来越多的关注（zhù）密不可分。柔性机器人可具备的特性包括材料的柔（róu）软（ruǎn）性（xìng）、优良的环（huán）境适应（yīng）性、超强的安全（quán）性（xìng），以及良（liáng）好的人机互（hù）动性。相较（jiào）于（yú）刚体材料而言，软体材料互动性好很多，如（rú）果用软（ruǎn）体材料做出（chū）新的机器人，可能会开（kāi）拓出新的应用领域。

不过，想要（yào）完美地同时兼（jiān）具（jù）上（shàng）述几种特性，还有很多技术（shù）上的难题，目前研究人员们也正在寻求一个突破口（kǒu），比如中（zhōng）国科学院理化技（jì）术研（yán）究所研究员、清（qīng）华大学教授刘静团队考虑（lǜ）了室温液态金属在（zài）柔性机器人领域（yù）的应用；MIT 研究人员（yuán）曾用 3D 打印（yìn）、液压（yā）驱动的方式驱动机器人运（yùn）动。

虽（suī）然（rán）现阶段柔性机器人领域仍比较“概念化”，但其应（yīng）用（yòng）前景广泛，未来必（bì）将会带来新的变革。