今日报丨研究生帮助设计你可以扔进堆肥箱的人造肌肉

向未来的机器人说声“你好”：它们柔软灵活，可以从墙上弹开或挤进狭小的空间。当你用完它们后，你可以将这些机器扔进堆肥箱进行分解。

(相关资料图)

这是包括CUBoulder研究生EllenRumley在内的工程师团队的愿景。在上个月发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们对一种新型机器人执行器或“人造肌肉”的设计。该小组的执行器通过在柔软的囊中四处移动液体来工作，可以为机器人的手臂和腿提供逼真的动作。它们还会在几个月内自然溶解在土壤中，使它们比以前的模型更具可持续性。

“你可以将它们丢弃在工业堆肥箱中，”这项新研究的共同第一作者和CUBoulder的PaulM.Rady机械工程系研究员Rumley说。“我们希望该项目能够激励其他工程师开发具有可持续性的机器人技术。”

想想Baymax，电影BigHero6中的枕头机器人，与可生物降解的食品袋混合在一起。

该项目源于ChristophKeplinger领导的长期努力，他曾任CUBoulder机械工程助理教授，现任德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所所长。2018年，他和他的同事推出了一系列人造肌肉，他们称之为液压放大自愈静电(HASEL)致动器。像人体肌肉一样，这些执行器可以像二头肌一样弯曲机械臂，或者挤压爪子和抓手。

但直到现在，他们做不到的是消失在垃圾填埋场。

在这项新研究中，该团队开发了一系列完全由可持续成分制成的软体机器人执行器。这些肌肉与传统的HASEL致动器一样用途广泛，在某些情况下，可以弯曲100,000次或更多次而不会断裂。

总部位于博尔德的公司ArtimusRobotics的联合创始人Keplinger说：“我们最终得到了一种完全可生物降解的材料系统，并且仍然可以与由不可生物降解材料制成的执行器的关键性能指标相匹配，这尤其令人兴奋。”开发和销售HASEL执行器。

“新材料系统的可持续性现在为需要为一次性或短期使用设计的组件的应用开辟了非常有趣的途径，例如，在食品处理或医疗应用领域。”

机器人的人造肌肉

拉姆利(Rumley)自己寻找一种不同类型的机器人可以追溯到几年前。作为阿拉斯加安克雷奇的一名高中生，拉姆利加入了一个机器人俱乐部，在那里她学会了为FIRST科技挑战赛设计机器人。她永远无法克服由金属和塑料制成的硬机器人的不雅之处。

“我觉得机器人的刚性是他们身体能力的一个很大限制因素，”拉姆利说，她在博尔德开始了她的研究生学习，然后于2020年移居德国，在开普林格实验室担任访问研究员。“当你看到一个人走在机器人旁边时，这种感觉尤其刺耳。”

然而，软机器人有可能通过将工程学的进步与生物有机体的柔软性和灵活性相结合来解决这些问题。

HASEL执行器由塑料袋内的变压器油组成，塑料袋的一部分被一层薄薄的电导体覆盖。Rumley说，如果你在导体上通电，袋子就会“拉在一起”，将液体从一端挤压到另一端。因此，袋子会改变形状，并可以向机器人肢体等设备施加力。

在CUBoulder的VenturePartners的支持下，Keplinger与TimMorrissey、EricAcome、ShaneMitchell和NickKellaris一起在2018年帮助创立了ArtimusRobotics将执行器商业化。Kellaris于2020年在CUBoulder获得材料科学与工程博士学位，他也是这篇新论文的合著者。

在这项新研究中，Rumley和她的同事着手确定可以取代这些早期设计的每一部分的可持续组件。

她说：“我们正在寻找能够制造高性能可生物降解肌肉的兼容材料的完美组合。”

作为系统和广泛的材料科学工作的一部分，Rumley和她的同事们测试了各种可生物降解的候选材料，以替代其执行器中的塑料袋。一个不错的选择是可生物降解的聚酯混纺材料，通常用于购物袋，甚至还印有胡萝卜图案。

该团队的人造肌肉最终设计几乎可以像普通的HASEL致动器一样起重，并将在大约6个月内在堆肥设施中降解。

未来的机器人

Rumley是2020年美国国家科学基金会研究生研究奖学金的获得者，她将在CUBoulder获得博士学位，但将在欧洲度过余下的时间作为学生。在那里，她学会了说一点德语并享受国际生活，尽管她有时会渴望科罗拉多州和阿拉斯加开阔的风景。

“我怀念涉水入河捉鲑鱼的日子，”她说。“这在德国并不大。”

但这位工程师表示，成为帮助开创机器人技术新时代的研究团队的一员是值得的。例如，Keplinger曾设想HASEL致动器有朝一日可以为类似钢铁侠的“套装”提供动力，帮助瘫痪的人行走。

“这些应用程序真的很令人兴奋，特别是对于可以帮助身体受损的人的设备，”Rumley说。“我有动力开发能够为服务不足的人群提供支持的技术。”

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