意大利面为柔性驱动器带来新思路,驱动器收缩效率可达45%
来源:DeepTech深科技,中国机械工程学会 浏览次数: 发表日期:2021-06-08


对每一位从事机器人技术研究的人来说,让机器人拥有最快、最强大、最柔软、最灵敏,效率最高且成本最低的驱动方式,恐怕都是梦寐以求的。有了柔软灵敏且功能强大的驱动技术,机器人的能力也会相应提高数倍,甚至还会更柔软。


而目前的主要趋势是,科学家们会从自然界寻找灵感,通过模仿生物的某个器官,来制造出更强大的驱动技术和柔性更高的机器人——也就是我们所说仿生原理。


基于仿生原理,科学家经常会模仿人类肌肉在运动时的行为,来设计机器人的驱动部件。在理想情况下,设计出的驱动部件甚至会比人类的肌肉更强大,反应更快、柔性更高。


目前在市场上的驱动器,综合能力最强的可能就是电动马达驱动器和液压驱动器,尽管它们的反应速度已经很快,驱动能力也已经很强,但这些驱动器都有一个共同的缺陷:那就是它们的刚性构造、以及强硬而无法变形的身体,使得它们在人类肌肉面前有时候显得死板而笨拙,比如它们无法像人类肌肉那样在遇到障碍时,通过变形来通过障碍或绕开障碍,也无法行走于某些复杂的蜿蜒崎岖的路线。


可以说,这些功能反应都不错的刚性驱动器,曾催生出一系列突破性的新型机器人的问世。但是,随着机器人技术的发现,机器的种类也变得越来越多样且细致,这些刚性驱动器已无法满足机器人技术的需要。人们需要功能强大的柔性驱动器,来制作更加仿生的机器人,或者是更优秀的仿生假肢。


而就在最近,在柔性驱动器领域科学家们有了新的突破。科学家们从弹弓通心粉找到了灵感, 模仿这种意大利面的形状制作出了一种柔性驱动器,这种弹弓通心粉形状的驱动器,已拥有接近人类肌肉的灵活性与适应性,甚至在某些方面还超过了人类骨骼肌。


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图 | 使用弹弓通心粉 (cavatappi) 型人工肌肉驱动的新型顺应性机械臂,发明者北亚利桑那大学的机械工程师迈克尔·谢弗 (Michael Shafer) 和研究生迭戈·希格拉斯·鲁伊斯 (Diego Higueras-Ruiz) 正在进行目视检查。(来源:北亚利桑那大学)


由于因为这种驱动器的形状与弹弓通心粉相似,驱动器的发明人将这种驱动器命名为“弹弓通心粉型人工肌肉”。


研发出这种柔性驱动器的科学家,是来自北亚利桑那大学机械工程系动态主动系统实验室的副教授(兼校友)迈克尔·谢弗和Heidi Feigenbaum 教授,以及研究生研究员 迭戈·希格拉斯·鲁伊斯。他们的这项研究成果,也发表在了《科学机器人》上,论文名为《通过拉伸、缠绕和旋绕聚合物管制成的弹弓通心粉型人造肌肉》。 


下面用图片来介绍这款“弹弓通心粉型人工肌肉”,下图中的 A 就是在西餐桌上经常会见到的弹弓通心粉,而 B 图则是这款驱动器的原材料,即“可拉伸聚合物管”,使用这种原材料,科学家们将它进行各种加工、变形,就有了不同模样的驱动器,这款“弹弓通心粉型人工肌肉”,也就是图中的 C-H。


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图 |  A:弹弓通心粉 (Cavatappi);B: 形状简单的可拉伸聚合物管;C-H:开发出来的由简单的拉伸聚合物制作出来的弹弓通心粉形状的执行器(来源:北亚利桑那大学)


为什么要选择弹弓通心粉形状呢?这其中的奥秘在于,具备弹弓通心粉的螺旋形结构后,驱动器可以产生功率会变得更高,科学家们已经在研究的初期证明,弹弓通心粉状人工肌肉可以产生拥有比人类的骨骼肌高十倍的特定功,且拥有比人体骨骼肌高五倍的功率指标。


并且随着它们的不断发展,他们期望产生更高水平的性能。拥有这样强大的特性,我们不难想象,弹弓通心粉人工肌肉技术将会很快受到生物工程和机器人应用的青睐,而且今后随着研究的进一步推进,它的功能还会更加强大。


这款弹弓通心粉人工肌肉技术的前身,是驱动器界曾经的明星——扭曲聚合物驱动器 (TPA)。说到扭曲聚合物驱动器 ,它的初次问世可以说给驱动器界带来了一场革新,因为它功能强大却轻巧,而且价格还很便宜,很适合在机器人工业中大量使用,可以说是机器人产业一直梦寐以求的驱动器。


可惜它有两个致命的缺点,一个是反应缓慢,因为必须要不断给驱动器进行加热和冷却才能使驱动器向外做功,另一个致命缺点是它们的效率太低,只有大约 2%,也就是说只有 2% 的电能可以转换成驱动器向外输出的机械动能。


而弹弓通心粉的发明者们克服这两个技术难题的思路是, 通过使用加压流体驱动,来克服扭曲聚合物驱动器 自身的缺陷。使用加压流体驱动后,驱动器的反应速度可以和泵送流体的速度一样快。


而且最大的改进是对 扭曲聚合物驱动器效率的改进——改进后的驱动器在进行收缩操作时,可达到高达 45% 的收缩效率,也就是说 45% 的电能都可以成功转化成为收缩动作需要的动能。45% 的收缩效率,在柔性驱动器领域中已经是非常高的数字了。


尽管还在研发阶段,但是弹弓通心粉人工肌肉已经正在受到各界的追捧与瞩目。不难想象,这项技术将会给柔性机器人领域带来巨大的革新。


不仅如此,在刚性机器人领域,其应用也将提升机器人的性能,并带来更多的可能性,比如说用于步行机器人上,机器人的动作将更加柔软。此外,还可以将其应用于辅助技术,比如制造出更灵敏柔软的外骨骼或假肢上。



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