盖世汽车讯 据外媒报道，首尔国立大学（Seoul National University）的研究人员开发新一代人工肌肉，它可以实时改变形状、从损伤中恢复，甚至可以重复使用，突破了传统机器人制造完成后只能执行预设功能的局限。相关研究成果发表于期刊《Science Advances》。

图片来源：期刊《Science Advances》

新型人工肌肉的工作原理

由材料科学与工程系的Jeong-Yun Sun教授和机械工程系的Ho-Young Kim教授领导的联合研究团队开发出一种新型介电弹性体致动器（DEA），它采用相变铁磁流体（PTF）制成。这种铁磁流体在室温下表现为固体，但在受到热或磁场等外部刺激时会转变为流体状，并具有高度柔韧性。

DEA是一种柔性传感器，能够将电能转化为机械运动，由于其能够像人体肌肉一样快速、精确地运动，因此常被称为人工肌肉。

基于介电弹性体的人工肌肉柔软轻便，已被越来越多地应用于日常生活和工业领域，例如智能可穿戴设备中的触觉振动组件，以及能够安全抓取水果或易碎部件等精细物品的软体机器人抓手。

当前软体机器人系统的局限性

当前软体机器人系统的电极图案一旦设计并打印完成，其形状便永久固定，这意味着此类系统只能执行单一的、预先设定的运动。

因此，每当机器人需要抓取不同形状的物体或适应新的环境时，工业界和学术界都必须从头开始重新设计和制造全新的电极图案。这导致了制造成本的显著提高和效率低下，并且一直是多功能软体机器人商业化的主要障碍。

可重构、抗损伤的凝胶致动器

为了克服这些局限性，研究人员开发了新一代软凝胶致动器，该致动器能够实时动态重构电极图案，根据需要执行新功能，即使在机械损伤或电气故障后也能恢复。

这种新开发的PTF电极可以动态地分裂和合并成三维结构。即使在制造完成后，其形状和位置也可以自由调节，从而显著扩展软体机器人的功能，使其超越预设的固定运动模式。此外，该电极的自愈性和可回收性增强了机器人系统的可持续性。

这项研究的关键成果在于将先进的材料工程（通过纳米颗粒和聚合物的精确组合）与功能齐全的机械系统无缝集成。材料工程实现了稳定而柔性的相变电极的开发，而机械工程则展示了该材料在驱动、重构和恢复过程中的工作原理。

PTF电极的关键特性

因此，单个软体致动器现在可以根据不同情况承担完全不同的角色，从而将传统的软体机器人转变为能够根据环境和任务变化调整自身功能的自适应系统。PTF电极的关键特性包括：

• 实时功能重构：即使在人工肌肉运行过程中，电极也可以熔化成液态（溶胶），并利用磁场重新定位，或分裂成两个或多个部分。除了简单的二维平面运动外，它还可以在三维架构中进行空间分割以执行不同的功能，或通过三维平面外配置自主桥接断开的电路，从而实现更高水平的功能自由度。这使得单个机器人能够执行完全不同的运动，例如弯曲和伸展，仿佛实时学习一般。

• 自愈和恢复能力：即使电极被尖锐物体切断或因高电压发生击穿，系统仍能保持功能正正常。通过将受损区域附近的电极液化，可以重新连接断裂的电路，或者重新配置系统以仅绕过受损区域，从而完全恢复机器人的功能。

• 环保型可重复使用性：当设备完成其任务或达到使用寿命后，电极可以以液态形式提取、储存，并在之后注入新设备中重复使用。研究人员证明，即使经过多次重复使用循环，该系统仍能保持约91%的高回收率和稳定的性能。

对机器人和电子领域的影响

该技术具有广泛的应用潜力，从能够复制复杂多自由度人体运动的高级人工肌肉，到能够实时动态改变形状和信息的下一代显示器，再到能够在极端工业环境中（例如发生电气故障或物理损坏）进行自我修复的智能机器人。

此外，该研究提出了一种全新的、环境可持续的资源循环模式，即通过提取和重复使用电极，而不是在设备寿命结束时将其丢弃，从而可能对未来的软体机器人和下一代电子产业产生重大影响。