重庆
机器人站上风口后，其零部件材料的热度也水涨船高。其中，由于软体机器人的技术路线是通过人造肌肉模拟生物肌肉的收缩、舒张特性来复刻柔性结构及其环境交互能力，从而实现类生物步态、抓取、弯曲等动作，天然契合人们对具身智能机器人的构想，因此迅速获得广泛关注。
然而，人造肌肉长久以来的技术研发并不顺利。除了收缩行程、驱动力、响应速度等性能方面的技术难点，材料的循环寿命、极端环境适应性等长期可靠性问题也是人造肌肉应用落地的掣肘。也就是说，人造肌肉很难像人体一样，感知损伤并对创口进行自我修复，这导致其耐久性极为有限，使用成本居高不下。而最近，这一问题取得了突破性进展。
美国内布拉斯加大学林肯分校的工程团队开发出了一种能够主动检测软体机器人中的材料损坏并自主修复的新型软材料架构，并在美国乔治亚州亚特兰大举行的IEEE国际机器人与自动化大会上展示了这种多层结构的设计。
软体机器人通常具备高变形性、机械坚固性和固有的抗损坏性等特点，在医疗保健、康复护理、柔性制造、智能勘探等新兴领域有较大发展潜力。但想要在非结构化的环境中发挥有效作用，软体机器人必须能够承受人类皮肤和其他软生物材料通常遭受的相同现实条件，比如推挤、摩擦等施加的表面压力，以及穿刺划破等常见的皮肤损伤。那么自动检测损伤并自主修复的能力，就成为软体机器人长期正常运作的关键保障。
该团队提出的技术思路是：把液态金属微滴嵌入硅橡胶中，形成类似于“电子皮肤”的结构。液态金属平时是绝缘的，但在受到超过1兆帕（>1 MPa）的压力或穿刺时，就会形成导电通路。这样当材料被损伤（如被刺穿）时，液态金属微滴就会连通形成导电网络，触发“报警系统”。通过监测电阻变化，就能发现损伤并确定位置。
检测到损伤后系统就会启动自主修复：因为这些导电网络通电后会发热，进而加热周围的热塑性弹性体（TPE）层，当TPE被加热到200℃左右时会熔化，从而密封伤口，实现自我修复。
但完成修复还不够，整个系统需要重新回到损伤前的状态，以便再次自动检测，这时就需要加大电流，利用电迁移和热失效机制，让导电网络重新断开，完成系统“重置”。
具体而言，加大的电流就像“洪水”，能把液态金属微滴中的原子“冲散”，从而阻断连通的金属路径，同时加大电流还会产生更多热量，让导电网络的金属微滴因过热“变形”，彻底断开连接。于是报警系统被关闭，重新进入 “待机” 模式。如果材料再次受伤，液态金属又能重新连通、触发报警，这样就可实现多次循环检测和修复。
A.智能自愈人造肌肉的示意图；B.分层架构和先进材料集成的分解示意图，这些材料使人造肌肉能够感知损伤并促进自我修复机制，不需人工干预或外部修复机制
从损伤检测到自主修复，再到重置系统，整个过程不需任何人工或外部机制的干预。如果将这种人造肌肉材料作为“皮肤”包裹于软体机器人的刚性层外，就能实现类似于人体的自愈功能。
这种类似生物的自我修复能力，不仅提高了材料的循环使用率，降低维护成本，还能拓宽软体机器人的应用边界，让其不需外部帮助就能在复杂环境中持续工作。对于动态和不可预测的环境，机器人的自适应能力也会得到提高。
当然，这一技术思路虽然已在论文成稿过程中被实验反复验证，但要真正实现成熟应用还有不少难关要克服，例如，材料能承受的最大修复次数是多少，这还需反复研究后得到较为精确的数据。此外，如何将这种具备新型架构的人造皮肤在更多形状的机器人上应用，反复调试去适配不同形状机器人的特点和驱动路径，也是一笔不小的研究投入。
不过，新技术对正在快速增长的人造肌肉市场而言，是个利好消息。根据QYResearch最新发布的调研报告，全球人造肌肉市场预计将在未来几年内持续扩张，至2030年市场规模有望达到36.85亿美元，年均复合增长率（CAGR）保持在5%的稳定水平。
未来，随着材料科学与智能技术的交融，传统机械部件的迭代会持续提速，同时机器人的智能交互能力也会加快进化。
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编辑｜张毅
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