开局3美分，如何做出机器人用“人造肌肉”还发篇Nature子刊？

以“阿法狗”为代表的人工智能（AI）在近些年取得了长足的进步，在各个领域屡屡击败人类的顶级精英。AI将来会不会威胁人类的生存？这也成了社交媒体上的热议话题。有些人戏称“别担心，人类还有终极杀手锏——拔AI的电源”，但也有人回应，“那还得看AI手下的机器人答应不答应”。是啊，未来会不会变得像经典科幻电影《终结者》系列描绘的那样，智力强大“天网”加上武力绝伦的“终结者”机器人，人类几乎毫无反抗之力？

图片来源：电影《终结者2》

好吧，笔者承认扯的有点远，而且相当的杞人忧天。目前的机器人，尤其是人形机器人想要挑战人类，基本没有赢的希望。前一段时间，日本举办了一个微型机器人格斗大赛——ROBO-ONE Auto锦标赛，下图是其中一个片段，看着机器人连面前的对手都找不到，诸君还有什么好担心的？

图中右侧机器人为该届大赛冠军KOBIS。图片来自网络

如果以人类作为对比，AI的突飞猛进说明机器人目前的最大限制并不是在“大脑”，而是在“神经系统”和“肌肉系统”，也就是感知并获取外界信息，在中枢处理之后控制特定身体部位做出合适的响应动作。目前用于机器人系统的“人造肌肉”软致动器（soft actuators），在效率以及性能上往往比不上人类的肌肉。现有的软致动技术多基于电活性聚合物、形状记忆合金和形状记忆聚合物、或压缩空气和加压流体致动器。然而，电活性聚合物要求的触发电压高（> 1KV），形状记忆合金应变低（< 10%），液压或气动流体弹性体致动器又需要外部的压缩机和压力调节部件，这些都限制了软致动器的小型化和实用化。而且，除了需要在相对较低的电压和电流下产生较大的宏观致动，软致动器要适合软体机器人的形态，还需要易于生产、成型、切割或3D打印。这些要求，大大增加了软致动器的开发难度。

近日，美国哥伦比亚大学的Hod Lipson教授研究团队另辟蹊径，将流体的液-气转变所带来的巨大体积变化与聚合物的良好弹性结合起来，开发出了一种新型的“人造肌肉”软致动器。他们在硅橡胶基质中引入均匀分布的乙醇微泡，其中还包含可电加热的螺旋状电阻丝，通过加热和冷却使乙醇发生可逆的液-气相转变，从而实现了超高的应变（可达900%）。这种高应力（1.3 MPa）、低密度（0.84 g cm^-3）的软驱动器，成本还相当低廉，1克仅为3美分左右，而且制备简便、环境友好且易于加工，可采用3D打印等技术进行复杂、精细部件的大规模制备，堪称机器人“人造肌肉”的上佳之选。相关论文发表在近期的Nature Communications 杂志上。

Hod Lipson教授。图片来源：Columbia University

研究者先将一定含量乙醇（最佳含量为20 vol%）与硅橡胶预聚体充分混合，所的材料易于浇注和3D打印，再预置Ni-Cr电阻丝后进行室温固化，从而制备了具有乙醇微泡的硅橡胶弹性体作为软体电热致动器。

“人造肌肉”软致动器的制备及工作原理。图片来源：Nat. Commun.

在较低功率输入情况下（8 V，1 A），Ni-Cr线圈的电热效应即可促使乙醇发生相转变，带动弹性体发生大幅度的体积变化，表现出显著的扩张-收缩致动能力。

“人造肌肉”的电热致动性。图片来源：Nat. Commun.

研究者基于3D打印技术构筑了各种复杂形状的“人造肌肉”软致动器，它们展现出卓越的致动性能：膨胀应变可高达900%，致动应力可达1.3 MPa，能够轻松提起自身重量1000倍（最高可达6000倍）的物体。同时，通过内置电热线圈的设计、优化以及外部施加电压的调节能够实现致动速率和“肌肉力量”的调节。该软致动器能够根据设计简便构筑，且能够实现推、拉、弯、提、抓等一系列动作，可以说是迄今报道的最接近天然肌肉的人造材料。

各种形状“人造肌肉”的致动性能展示。图片来源：Nat. Commun.

为了证明“人造肌肉”在机器人领域的应用前景，研究者还用两个软致动器模仿人类的肱二头肌-肱三头肌的主动肌-拮抗肌组合，让骨骼模型的手臂收放自如。

人造“肱二头肌-肱三头肌”配合收放骨骼模型的“手臂”。图片来源：Nat. Commun.

——总结——

软材料机器人技术能够模仿自然界的动物进行复杂、精细的动作，在制造业、医学等各个领域有着广阔的应用前景。Lipson教授等人将流体的液-气转变所带来的巨大体积变化与聚合物的良好弹性结合起来，以极低的成本实现了高驱动应力、高应变、低密度且无需外置压缩设备的软致动器，解决了软体器件人器件小型化的难题。同时，该体系材料加工方式十分简便，可3D打印，有望为当今软体机器人的制造方式带来革命性变化。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Soft material for soft actuators

Nat. Commun., 2017, 8, 596, DOI: 10.1038/s41467-017-00685-3

（本文由宗传永-济大供稿）