DARPA资助研发的软体机器人“肌肉” 应用前景初显

来源:国防科技信息网,作者:中国航天系统科学与工程研究院 孙棕檀

【[据本站综合报道】过去十年里,软体机器人技术突飞猛进。各国研究人员均在尝试采用各种材料和设计,让原本僵硬不平整的机器人能以模仿生物体的方式弯曲和收缩,并更自然地与生物体进行互动。但软性材料通常强度或刚度性能不理想,应用受到限制;此外,软性材料的设计、制造和实现往往受到材料成本、工作原理、可扩展性和单自由度收缩驱动等因素的限制。

近日,在DARPA和美国国家科学基金会资助下,麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)和哈佛大学威斯研究所(Wyss)的研究人员联合研制了一种液压驱动、折纸式机器人“肌肉”。该机器人“肌肉”是软体机器人研究领域的一项技术突破,有望为传统机器人提供一种可行、强大、安全的驱动方案。

研究人员研制的机器人“肌肉”由三部分组成:可压缩骨骼、流体介质与柔性皮肤。可压缩骨骼是内部骨架,由各种材料制成,如金属线圈、金属弹簧、泡沫塑料、折叠成特定图案的塑料片等;流体介质为空气、水或流体,随可压缩骨骼一起,并密封在塑料或纺织袋内;这些真空袋称为柔性皮肤。

在密封袋内注入或者释放空气、水等流体介质时,压力的改变会导致骨骼和皮肤的伸展或折叠,从而产生抓、推等动作。机器人“肌肉”的运动无需其他电源或人力输入,完全取决于骨架的形状和组成,只需对骨骼折叠方式进行设计,即可决定整个“肌肉”结构的动作。“肌肉”可通过程控完成多轴向的动作,包括收缩、弯曲和扭转。这些动作可以整合至具有多自由度的系统中,以完成不同快慢速度的、可控制的各种动作。

这种使用液压而非电动系统的驱动方式优势明显。骨骼折叠方式的引入将简化相关算法,减少机器人完成预期任务所需的计算机处理量,从设计上有助于机器人执行更多动作。

该“肌肉”具有以下突出特点,应用前景初显。

一是力量大、功耗小。实验表明,这些“肌肉”可在原始尺寸基础上缩小90%以上,并能产生约600千帕的应力,最高功率密度超过2千瓦/千克,指标都等同于甚至超过天然肌肉。2.6克的 “肌肉”即可抓起3千克的物体,相当于“一只野鸭带走一辆轿车”;所需功耗也远远小于由金属和电路组成的传统机器人。

二是安全性高、贴合性好。这些“肌肉”可以通过真空供电,“肌肉”破裂、失败和损伤的风险较低,安全性高于目前很多正在测试的其他人造肌肉;而且在操作时不会膨胀,可像人类皮肤一样贴合在机器人表面。

三是可缩放、应用广。试验表明,几毫米到一米不等“肌肉”,各项指标与性能一致;研究人员甚至还可以用水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)制造“肌肉”,完成任务后“肌肉”会在人体内溶解。因其缩放性、轻量化、高功率特点,该“肌肉” 应用范围极广,可用于制造可穿戴长距离重型负载外骨骼、微型人体植入或摄入式手术机器人、其他可变形结构、研究试验型深海操控器、空间大型可展开结构等。

四是低成本、快速制备。该“肌肉”成本低廉,所需材料价格低于1美元;还可快速生产,10分钟即可在实验室中制备单个“肌肉”结构;并且易于反复迭代测试。

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