未来的机器人可能很快就会拥有更强大的肌肉力量。据外媒报道，西北大学（Northwestern University）的工程师们开发出一种柔软的人造肌肉，为实现不受束缚的动物和人类机器人铺平了道路。这种新型肌肉，或称执行器，提供了构建机器人肌肉骨骼系统所需的性能和机械特性。

图片来源： 西北大学

为了展示这种人造肌肉的功能，工程师们将它们植入了一条真人大小的人形腿中，配备了硬质塑料“骨骼”、弹性“肌腱”，甚至还有一个传感器，让机器人能够“感知”自身的运动。这条腿使用了三块人造肌肉——股四头肌、腿筋和小腿肌肉——来弯曲膝盖和踝关节。这些肌肉的柔韧性足以吸收冲击力，同时仍能施加足够的力量和动作，将排球从基座上踢下来。

这项新的仿生材料创新可能会改变机器人行走、奔跑、与人类互动以及在周围世界中导航的方式。相关研究论文于7月24日发表在期刊《Advanced Materials》。

“机器人通常由刚性材料和机械装置构成，这些装置能够精确地完成特定任务，”该研究的资深作者、西北大学的Ryan Truby说道。“但现实世界瞬息万变，极其复杂。我们的目标是构建具有仿生能力的机器人躯体，使其灵活、适应性强，并能够应对物理世界的不确定性。”

“这不仅包括将实用的人造肌肉，还包括骨骼、肌腱或韧带类部件整合到机器人中。如果我们能够做到这一点，那么机器人不仅会变得更有韧性和适应性，还能利用更软材料的力学原理提高效率。”

复制肌肉的当前挑战

目前大多数机器人僵硬、笨重，难以平稳地适应不平坦的地形，也难以在不损坏其他物体或伤害自身的情况下执行复杂精细的任务。

“让缺乏物理柔顺性的机器人平稳地响应或适应外部变化，并与人类安全地互动，是非常困难的，”Truby实验室博士后学者Kim说道。“为了让未来的机器人在非结构化环境中更自然、更安全地移动，我们需要将它们设计得更像人体——既有坚硬的骨骼，也有柔软的、类似肌肉的执行器。”

最近，机器人专家开始开发具有类似肌肉机械特性的软体执行器。但目前的方法通常需要大型重型设备来驱动它们。即便如此，它们也不够耐用，无法产生足够的力量来完成实际任务。

“设计出像肌肉一样运作的软材料真的很难，”Truby表示。“即使你能让一种材料像人造肌肉一样运动，也存在许多其他挑战，比如用足够的功率传递足够的力。将它们与类似骨骼的刚性结构连接起来则会带来更多问题。”

制造人造肌肉

为了克服这些挑战，团队参考了Truby实验室之前开发的一种执行器。该执行器的核心是一个3D打印的圆柱形结构，称为“手性剪切拉胀体”（HSA）。HSA结构复杂，能够实现独特的运动和特性，例如扭转时伸展和膨胀。

移动HSA所需的扭转运动可以由一个小型集成电动机产生。Kim开发了一种利用手机壳中常用的廉价橡胶3D打印HSA的方法。

在新设计中，团队将HSA封装在一个橡胶折纸波纹管结构中，使旋转电机能够驱动组装的执行器进行伸缩。现在，这些执行器能够以惊人的力量进行推拉，如同人造肌肉一般。这种肌肉在受力时甚至可以动态地变硬——就像人体肌肉一样。

每块肌肉的重量大约相当于一个足球，比一罐汽水略大。它可以伸展至其长度的30%，收缩并举起比自身重17倍的物体。或许，对于它们在机器人体内的应用而言，最关键的是，这种肌肉可以由电池供电，无需使用笨重的外部设备。

一条能“踢”和“感知”的真人大小的腿

为了展示这种肌肉的实际应用潜力，Truby、Kim和他们的团队利用3D打印技术打造了一条真人大小的机器人腿。团队用硬质塑料制作了腿部的“骨骼”，并用橡胶制作了类似肌腱的连接器。弹性肌腱将股四头肌和腿筋肌肉连接到小腿骨，并将小腿肌肉连接到足部结构。肌腱和肌肉有助于抑制运动并吸收冲击，类似于生物肌肉骨骼系统。

团队还添加了一个柔性3D打印传感器，使腿部能够“感知”自身的肌肉。该传感器的设计类似于三明治结构，由一层柔性导电塑料夹在两层非导电层之间。当人造肌肉移动时，传感器也会移动。当它伸展时，其电阻会发生变化，从而使机器人能够感知其肌肉的伸展或收缩程度。

最终制成的假肢结构紧凑，并由电池供电。便携式电池一次充电即可提供足够的能量，使其在一小时内弯曲膝盖数千次。利用其他软执行器技术实现类似的功能将非常困难，甚至不切实际。

“通过设计具有生物肌肉骨骼系统性能和特性的机器人新材料，我们可以制造出更具弹性和坚固耐用的机器人，以满足实际使用需求，”Truby说道。“我们非常期待看到这些人造肌肉如何推动人形机器人和类动物机器人的新方向。”