哈工（gōng）大造（zào）出能（néng）和象鼻一样运动的柔性机器人

随着柔（róu）性（xìng）机（jī）器人的迅速发展，人们越来越意（yì）识（shí）到，冰冷、僵硬只是我们对机器人的刻（kè）板印象。近日，国际著名期刊 Soft Robotics 刊（kān）登了哈尔滨（bīn）工业大学冷（lěng）劲松教授团队与美（měi）国马里兰（lán）大学 Norman M. Wereley 教授团队的共同研究成果，题为 Novel Bending and Helical Extensile/ContracTIle PneumaTIc Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻启发（fā）的新型弯曲螺旋可伸展（zhǎn）/收缩气动人工（gōng）肌肉）。

上述研究团队受到（dào）象鼻的（de）启发，基（jī）于气动人（rén）工肌（jī）肉（PneumaTIc arTIficial muscles，PAMs），研制出了一种新（xīn）型柔性机器人。在该研究中，“气动人工肌肉”是一个核心元素（sù）。

气（qì）动人工肌肉，是（shì）人（rén）造肌肉（artificial muscle）的（de）一种（zhǒng）。人造肌肉（ròu）即电活（huó）性聚合（hé）物，是一（yī）种新型智能高分子材料，是根（gēn）据生物（wù）学原理由（yóu）缬氨（ān）酸、脯氨酸和甘氨酸这 3 种（zhǒng）氨基酸按一定（dìng）顺（shùn）序排列构成，可（kě）在外加电场下（xià）通过内部结构的改变而伸缩、弯曲、束（shù）紧（jǐn）或膨胀，非常接近生物的肌肉纤维。

而气动人工肌肉（ròu），从（cóng）字面意思上理解就是，由外部的（de）压缩空气驱动进行推（tuī）拉动作的人（rén）造肌肉（ròu），具有柔（róu）顺性、轻量（liàng）性、绿（lǜ）色性等优势。这一材料重量轻（最小仅（jǐn）为（wéi） 10g），却能提供很（hěn）大的力（lì）量，用（yòng）“四两拨千斤”来形（xíng）容它（tā）再（zài）合适不过了。

实际上，由于具有与生物肌肉纤维相似的仿生编织（zhī）结构、与（yǔ）骨骼（gé）肌（jī）相（xiàng）似的特性，气动人工肌肉（ròu）在软体仿生机（jī）器人、变（biàn）刚度静水骨骼等领域（yù）都（dōu）得到了广泛的应用（yòng）。此外（wài），这类材料在医学、机器人、军事（shì）、航天（tiān）、光学等领域都发挥着重要作用，具有（yǒu）巨大（dà）的商业（yè）潜力。

早在（zài） 20 世纪 40 年代，科研人员就开始对这一领域进行研究。2019 年 7 月，MIT 科研（yán）团队还（hái）在 Science 发表（biǎo）论文，介绍了他们利用 2 种热膨胀系数（shù）不同的聚合（hé）物材料高密度聚（jù）乙烯和环烯烃共聚物弹性体制成的新型人造肌肉，这种人造肌肉一经（jīng）加热，便可自（zì）由伸缩，提起比其自身重 650 倍的物体（tǐ）。这一研究也登上了当期（qī） Science 封面。

哈工大造出柔性机器人（rén），能和象鼻一样（yàng）灵活运（yùn）动

近年来，曾有（yǒu）不（bú）少研究团队受花瓣、猎鹰（yīng）、蛇、鸽子、鱼（yú）、兔（tù）子等等（děng）的启发，设计出（chū）多种形态的柔（róu）性机器人。而（ér）此次哈工（gōng）大研究团（tuán）队（duì）受到（dào）象鼻的（de）启（qǐ）发，设计（jì）了新（xīn）型的（de）柔（róu）性机（jī）器（qì）人。研究团队指出，气动人工肌肉运动在一定程度上仅局限（xiàn）于单轴收缩（suō）和拉伸，这也限制了（le）其发展。为此，该团队在可伸展/收缩的气（qì）动人工（gōng）肌肉的基础上（shàng）设计了新型的弯曲螺旋可（kě）伸展/收缩气动人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀时，将产生绕轴的弯曲、旋转运动，使（shǐ）致动器产生螺旋变形（xíng），类似我们（men）曾（céng）在动物园见过的象鼻弯曲旋转的运（yùn）动过程（chéng）。在此基础之（zhī）上，研（yán）究团队通过（guò）一个仿象鼻的高自由度柔性臂（bì）来（lái）探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔（róu）性机器人领域的潜在应用（yòng）。研究人员表示，HC-PAMs 输（shū）出（chū）、负载能力（lì）很强，而（ér） HE-PAMs 可产生更多的变形（xíng）。

值得一提的是，这一研究提出了统一（yī）的理论（lùn）方法，将会为（wéi）其他研究人员提供可（kě）靠的参考——该（gāi）团队通过实验、分析，建（jiàn）立了（le）气动人工肌肉的广义弯曲行为模型（xíng），并在相同的（de）理论框架（jià）下研（yán）究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性。据了解（jiě），轴（zhóu）向（xiàng）、弯曲和螺旋气动人工（gōng）肌肉可以（yǐ）广泛地应用于各个方向，比如软（ruǎn）体分类机器人、搜（sōu）索机器人、生（shēng）物机器人、运动辅助外骨骼、力反（fǎn）馈可穿戴（dài）设备等等。

实际上，人造肌肉材料已成为当今（jīn）研究的前沿（yán）和热门，这与人们对柔性机（jī）器人领（lǐng）域越来越多（duō）的关注密不（bú）可（kě）分。柔性机（jī）器人可具备的特性包（bāo）括（kuò）材料的柔软（ruǎn）性（xìng）、优良的环（huán）境适应性、超强的安（ān）全性，以及良好的人机互动性。相较于（yú）刚（gāng）体（tǐ）材料而言，软体材料互动性好很多，如果用软体材料（liào）做出新的机器人，可（kě）能会开拓出新的应用领域。

不过，想要完（wán）美地同时兼具上述几种（zhǒng）特性，还有很（hěn）多（duō）技（jì）术上的难题，目（mù）前研（yán）究人员们也（yě）正（zhèng）在（zài）寻求一（yī）个突破口，比如中国科学院理化（huà）技术研究所（suǒ）研究员、清华大学教（jiāo）授刘静（jìng）团队考（kǎo）虑了室温（wēn）液态金属在柔性机器人领（lǐng）域的应（yīng）用（yòng）；MIT 研究人员曾用 3D 打印、液压驱动的方式驱动机器人运动。

虽然现（xiàn）阶段柔性机（jī）器人领域仍（réng）比较“概念化”，但（dàn）其应用前景广泛，未来（lái）必将会带来新（xīn）的变革。