软体机器人的液体“肌肉”

前言

在过去的几十年里，拟人机器人虽然在长相方面发展迅猛，已经看起来和人类十分相似，但有一点它们却是毫无进展的：动作。由于它们是由电机驱动的，今天最先进的机器人还和《星球大战》里面的 C-3PO 一样，动作非常生硬。我们该如何让机器人也可以像人类一样实现行云流水般的动作呢？这便是一个名为软机器人（soft robotics）的新兴领域的目标了：为机器带来更“自然”的动作。

近日，在《科学》和《科学-机器人》学刊中发表的两篇论文描述了一种全新的机器人“肌肉”。这种“肌肉”的全名叫“液压放大自愈式静电致动器”（hydraulically amplified self-healing electrostatic actutator），简称“hasel”。虽然有多个不同的设计，但是 hasel 基本上就是一个内含油液，外面裹着多个电极的小袋子。当这些电极被电流激发后，它们将释放电场，驱动致动器开始收放。

这种致动器在力量和效率方面与人类肌肉十分接近，并可以在一秒钟之内实现多次收缩。因此，使用这种“肌肉”驱动的义肢在动作上将会更贴近自然肢体。相信有一天，这种肌肉将可以驱动力大无穷却十分柔软的机器人，这样我们就不必担心它们工作时会一不小心戳伤自己的同事。

“我们只是在用静电力来驱动液体，通过将电极吸在一起把液体泵到袋子的其他部位”，科罗拉多大学波尔得分校的机械工程师 Nicholas Kellaris 说道。前文提到了一篇在《科学-机器人》上发表的论文，该论文的主要作者就是 Kellaris。简单来说，hasel 致动器可以自我收缩，“而通过让袋子变形致动，将产生压力和动作”。

当然，这并不是市场上唯一一种用压缩空气或液体来实现运动的软致动器，但是其他的致动器都需要有一个外置容器来容纳这些气体或液体，然后用一根长长的管子将它与致动器连接起来。hasel 致动器则可以直接使用袋子内的（变压器）油。这意味着它的反应速度将远超其他的软致动器。

图 | 这种叫“hasel”的新型致动器可以轻松地拿起一枚覆盆子

作为实验，研究人员们制造了一个圆形的 hasel 致动器，在发动时会它成为一个“甜甜圈”。“当我们在致动器的一段释放电场时，它将把液体推出所谓的‘非活动区域’”，在《科学》上发表的那篇论文的主作者、科罗拉多大学波尔得分校的机械工程师 Eric Acome 说道。这个结果最直观的显示就是圆圈中间的油被推到了边缘，即形成甜甜圈的形状。研究人员们把多个“甜甜圈”致动器分为两组，用每个致动器代表一根手指，成功地做出了一个可以轻轻地拿起一枚覆盆子的机器人手。

如果你觉得轻轻地拿起一枚水果没有意思，研究人员们还制造了一种可以抬起重物的机器人“肌肉”。这种长方形的致动器是由三组水平排列的袋子组成，而每个袋子都在上半部分装有电极。当施加电流时，油会被挤到下半部分，让下半部分向上卷起来。这样便会减少整个长方形的长度，举起连在下半部分的重物。研究人员可以轻易地通过增加致动器的数量来提高“肌肉”的力量。（你在家也可以用一个密封的塑料袋来实验：只要在里面稍微吹口气，密封放平，然后把一半下压，另一半就会卷向你）。

图 | 可以抬起重物的长方形hasel 致动器

力量强大，又十分精准，hasel 致动器简直无敌了。难道它没有弱点吗？

其实，实现hasel 致动器最大的难点就在于驱动它的电力。电力并不是一种温柔的力量，尤其是当它用来控制软机器人所使用的精巧材料时。其实，目前已有一种工作原理与 hasel 十分相似的致动器，用电极压缩橡胶实现动作。然而，这种致动器很容易短路，特别是当电力过大，产生穿透橡胶的电弧时，整个系统都会崩溃。

这便是 hasel 致动器为何要使用油的原因。“它会穿过中间的液体，但是这些液体会立刻重新分布，再次成为绝缘体，而这个设备则可以继续工作下去”，科罗拉多大学波尔得分校的 Tim Morrissey 说道。简单来说，袋子中的油有着盾牌的功能，不会像另外那种橡胶一样被击碎。

hasel 的出众之处在于它简单的设计。传统的致动器往往是一个复杂的电机外带一个复杂的齿轮箱。而 hasel 则只是一个充满了油的袋子和一些电极。

不过，由于软机器人远比传统的机器人脆弱，软机器人的设计师必须考虑它们的躯体被刺穿从而损失动力的可能。所以，软机器人领域另一大值得攻关的难题是——可以自愈的皮肤。好在这一难题目前已获得初步成果，而 hasel 的团队则正在试图将这种自愈能力添加到 Hasel 致动器上。

当软机器人的可靠性、安全性、实用性达到一定级别时，它们将在短时间内融入我们的社会与生活中。由于软机器人可以与人类和谐共事，这意味着它们不会抢走人类的工作。当然，它们总有一天会成为我们的伙伴，不论是工作上的，还是生活上的。