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浙大造出200伏人工肌肉,软体机器人终于可以拔掉电源线了?

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近日,浙江大学石烨教授和团队造出一款人工肌肉,通电后能像真的肌肉一样收缩和舒张,驱动电压只用了 200 伏。跟之前同类材料动不动就要几千伏相比,这个数字已经降了一个数量级。200 伏的电压可以用小型电池加上微型升压电路来实现,软体机器人终于可以摆脱那根拖在身后的电源线了。

这款人工肌肉在 20 伏每微米的电场下,也就是 10 微米厚的薄膜加 200 伏电压,面积扩张了 25%。能量密度达到了每公斤 38.4 焦耳,功率密度每公斤 452 瓦,这个输出能力已经超过了天然肌肉。他们把 10 层薄膜堆叠在一起,总厚度只有 0.2 毫米左右,却能够拉动 300 克的重物,相当于自身重量的 6,800 多倍。

人工肌肉的驱动电压降到 200 伏后,很多以前不敢想的事情就能做了,特别是把电源、电路、通信、肌肉等等部件都集成到不到一个手掌大小的机器人身上,彻底摆脱累赘的外部电源。

他们首先做了一个可穿戴的柔性流体泵,把原来平面薄膜状的人工肌肉卷成圆筒状,通上 200 伏的电,圆筒就会有节奏地扩张和挤压,驱动水流。把这个泵戴在手腕上,接上水管和水箱,水就能在管路里循环流动,给手部皮肤降温。一个完整的循环大概需要三分钟,如果电压升到 400 伏,十秒钟就能走完一圈,这个泵循环了十万次以上,流量几乎没有任何衰减。

他们还做了两条仿生机器鱼。

第一条鱼是仿蝠鲼,就是那种扁扁的魔鬼鱼,用了平面型人工肌肉,肌肉收缩时鱼身体弯曲,带动两侧胸鳍上下拍动。这条鱼在 200 伏电压下游动速度是每秒 1.1 厘米,大约每秒钟走 0.2 倍体长。

另一条鱼是仿太阳鱼,他们用了两个卷筒型人工肌肉分别驱动左右鳍,两个肌肉可以独立控制。只动右边的肌肉,鱼就往左拐;只动左边的肌肉,鱼就往右拐;两个同时动,鱼就可以直行。这条鱼在 200 伏下能跑出每秒 1.1 厘米的速度,300 伏下达到每秒 2.6 厘米。

他们还做了一个爬行机器人,这个机器人没有腿,就是一片长方形的柔性薄膜,一头贴在硬质的电路板上,另一头悬空。通电后薄膜弯曲,改变和地面的接触角度,整个身体就会向前爬。

200 伏电压下它每秒能爬 3.3 毫米,如果换个方向弯曲,每秒能爬 4.5 毫米。而且这个机器人直接街到 220 伏的家用电上也能爬,每秒能爬 6.2 毫米,还能驮着 0.4 克的重物缓慢移动。

人工肌肉的学名叫介电弹性体驱动器,它的工作原理是在一片弹性薄膜上下两面做上柔性电极,通电后正负电极互相吸引,把薄膜压扁,薄膜就会向四周扩张,断电后薄膜恢复原状,这个过程跟真正的肌肉收缩非常像。以前这类材料需要几千伏高压才能动起来,主要是因为以下三个参数卡住了:一是弹性薄膜太硬压不动;二是材料的介电常数太低,产生的压力不够;三是单层薄膜太厚,需要的电压就高。

该团队在这三项上做了系统性的改进,他们合成了一种新型弹性体,里面添加了一种叫 LiTFSI 的有机盐。这种盐能解离成离子,跟高分子网络形成强度适中的化学键,把材料的介电常数从 5 左右提升到了 13。之前的方法要么添加高介电常数的陶瓷颗粒,要么就是在高分子材料上连接带有强正负电荷分部的化学基团,结果弹性体变得又硬又脆。

该团队发现 LiTFSI 的键合强度恰到好处,既能把介电常数拉上去,又不会让材料变僵硬。这就像在面团里加食用油,加多了面团会散,加少了还是会粘手,而他们找到了那个完美的比例。


(来源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

介电常数提升后,同样电压下产生的静电力大了将近三倍。不过他们没有满足于此,他们同步把薄膜厚度从常见的几十上百微米降到了 10 微米左右,大约是头发丝直径的六分之一。

电压等于电场强度乘以厚度,厚度减到十分之一,同样电场下电压也降到十分之一。但单纯减小薄膜厚度意味着总的肌肉量也减小了,导致能输出的总能量变小。为此该团队发明了一种干法堆叠工艺,把几十层薄膜和电极层层平整地叠在一起,层与层之间用特制的粘合层固定,不会分层也不会起泡。

石烨告诉 DeepTech,他们做这个工作的初衷很朴素,就是解决人工肌肉电压太高没法实际用这一核心难题。石烨在 2021 年底回国加入浙江大学,带着他的第一个博士生,从基本原理出发画了一张路线图,花了将近四年时间一步步走完。

中间遇到过很多困难,比如薄膜太薄难以加工处理,比如添加剂选了好几种都不合适,比如升压电路做不小。但是他们没有更换目标,而是一步一个脚印把这些坎都迈过去了。现在他们不仅把电压降到了 200 伏,还把这门技术做成了一套完整的工具箱,从材料配方到薄膜堆叠工艺,从微型升压电路到机器人系统集成实现了全部打通。


(来源:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

人工肌肉的应用前景非常广阔,首先就是机器人领域,现在市面上的人形机器人和机器狗都是刚性结构,关节靠电机驱动,遇到狭窄缝隙或者复杂地形容易卡住。人工肌肉做出来的软体机器人可以伸缩变形,像章鱼一样钻进狭小空间,在废墟搜救或者管道检测中很有优势。

其次是人机交互,刚性机器人如果失控砸到人会很危险,软体机器人即使出故障也不会造成严重伤害,更适合做陪伴型或者护理型机器人。外骨骼可以帮助士兵或者搬运工减轻负重,走路抬东西时有一部分力由人工肌肉来出。

医学康复则是另一个方向,老年人或者手部受伤的患者肌肉力量不足,可以戴上一副人工肌肉手套,帮助抓取物体。

触觉反馈是一个更前沿的应用,他们所展示的人工肌肉阵列可以植入到手套或者电子皮肤中,每个小圆点独立控制。远程手术时医生戴上这种手套,手术机器人触碰到的组织是硬还是软、肌肉还是骨骼,都能通过手套上的触觉点阵实时反馈给医生。对于医生来说光靠眼睛看是不够的,触觉能让手术更精准。

该团队未来的计划是把人工肌肉和传感元件、计算芯片集成到一起,做出更有智能的软体机器人。现在的人工肌肉只能执行简单的通断电指令,如果配上传感器,它就能感知自己的状态和环境,如果配上芯片它就能做决策。同时,石烨也在考虑技术转化,可能会通过创业或者与企业合作的方式,把人工肌肉真正推向市场。

参考资料:

相关论文 https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9635

运营/排版:何晨龙

注:封面/首图由 AI 辅助生成

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