發明家和研究人員開發機器人已有近70年的歷史。他們迄今為止建造的所有機器--無論是為工廠還是其他地方--都有一個共同點：它們都由電動機驅動，這是一項有200年歷史的技術。甚至步行機器人的手臂和腿也是由電機驅動的，而不是像人類和動物那樣由肌肉驅動的。這部分解釋了為什麼它們缺乏生物流動性和適應性。
新型肌肉驅動機器人腿不僅比傳統機器人腿節省更多能源，而且可以進行跳高和快速移動，以及檢測障礙物並做出反應--所有這些都不需要複雜的傳感器。該新分支由蘇黎世聯邦理工學院和馬克斯·普朗克智能系統研究所（MPI-IS）的研究人員在馬克斯·普朗克聯邦理工學院學習系統中心（XS）的研究合作下開發。
SLS團隊由蘇黎世聯邦理工學院的Robert Katzschmann和MPI-IS的Christoph Keplinger領導。他們的博士生Thomas Buchner和Toshihiko Fukushima是該團隊在《自然通訊》上發表的關於動物啟發的肌肉骨骼機器人腿的論文的聯合第一作者。
電如氣球
像人類和動物一樣，伸肌和屈肌確保機器人的腿可以在兩個方向上移動。這些電液致動器，被研究人員稱為HASEL，通過肌腱連接到骨骼。
致動器是一個裝滿油的塑膠袋，類似於用於製作冰塊的塑膠袋。每個袋子大約一半的兩側塗有由導電材料製成的黑色電極。
布納解釋道：「一旦我們向電極施加電壓，它們就會因靜電而相互吸引。同樣，當我用氣球揉頭時，我的頭髮會因為同樣的靜電而粘在氣球上。」
隨著電壓的增加，電極越來越近，將袋子中的油推向一側，使袋子整體變短。
連接到骨骼的成對致動器產生與生物體相同的成對肌肉運動。當一塊肌肉縮短時，另一塊肌肉就會延長。研究人員使用與高壓放大器通信的計算機代碼來控制哪些致動器收縮和延伸。
比電動機效率更高
研究人員將他們的機器人腿的能源效率與由電動機驅動的傳統機器人腿的能源效率進行了比較。此外，他們還分析了有多少能量被不必要地轉化為熱量。
布納說：「在紅外圖像上，很容易看出，如果機動腿必須保持彎曲位置，它就會消耗更多的能量。」
相比之下，電液腿的溫度保持恆定。這是因為人造肌肉是靜電的。
「這就像氣球和頭髮的例子，頭髮會在氣球上停留很長一段時間，」布納補充道。
「通常，電機驅動的機器人需要熱管理，這需要額外的散熱器或風扇將熱量傳播到空氣中。我們的系統不需要它們，」福島說。
在不平坦的地形上靈活移動
機器人腿的跳躍能力基於它們爆炸性地舉起自身重量的能力。研究人員還表明，機器人腿具有高度的適應性，這對於軟機器人來說尤其重要。只有肌肉骨骼系統有足夠的彈性，才能靈活地適應地形。
「這對於生物學來說也沒有什麼不同。例如，如果我們不能彎曲膝蓋，在不平坦的表面上行走就會變得更加困難，」卡茨希曼說。「想像一下走出人行道並走上道路。"
與需要傳感器不斷指示機器人腿角度的電機相比，人造肌肉通過與環境交互來適應適當的位置。這僅由兩個輸入信號驅動：一個用於彎曲關節，另一個用於延伸關節。
福島解釋道：「適應地形是一個關鍵方面。當一個人跳到空中並著陸時，他不必提前考慮膝蓋是應該彎曲90度還是70度。「同樣的原理也適用於機器人腿的肌肉骨骼系統。落地時，腿關節會根據表面的硬或軟自適應地移動到合適的角度。
新興技術開闢新可能性
電液執行機構的研究領域還很年輕，大約六年前才出現。
「機器人領域在高級控制和機器學習方面取得了快速進展;相比之下，同樣重要的機器人硬體方面的進展要小得多。這份出版物有力地提醒人們引入顛覆性創新的潛力。新的硬體概念，例如使用人造肌肉，」Keplinger說。
卡茨希曼補充說，電液致動器不太可能用於建築工地的重型機械，但它們確實比標準電動機具有特定的優勢。這一點在吉格等應用中尤其明顯，其中運動必須根據被抓住的物體是球、雞蛋還是番茄進行高度定製。
卡茨希曼確實有一個保留：「與帶電動機的步行機器人相比，我們的系統仍然有限。腿目前連接在杆子上，可以繞圈跳躍，目前還不能自由移動。"
未來的工作應該克服這些限制，為開發真正的帶有人造肌肉的行走機器人打開大門。他進一步闡述了：「如果我們將機器人腿與四足機器人或兩足人形機器人結合起來，也許有一天，當它由電池供電時，我們可以將它部署為救援機器人。"
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原文：https://techxplore.com/news/2024-09-robot-leg-powered-artificial-muscles.html
更多信息：電液肌肉骨骼機器人腿，可實現敏捷、適應性且節能的運動，《自然通訊》（2024）。DOI：10.1038/s41467-024-51568-3
更多信息：《自然通訊》（2024年），電液肌肉骨骼機器人腿可實現敏捷、適應性和節能的運動。DOI：10.1038/s41467 - 024 - 51568 - 3
期刊信息：自然通訊
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