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雷鋒網按：柔性機器人技術在過去十年內取得了突飛猛進的進展。世界各地的研究人員都試驗過不同的材料和設計，從而讓剛性的機器人以更自然的方式彎曲和與人類進行互動。然而，增強機器人的靈活性往往意味著在力量上的妥協，因為較柔軟的材料一般不如剛性材料具有較高的強度，這也限制了柔性機器人的使用。
而現在，哈佛大學Wyss研究所和麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）的研究人員已經聯合研發出了新型的機器人人造肌肉（見下面的視頻），這種人造肌肉受折紙結構啟發，能僅憑水和空氣讓柔性機器舉起高達自身重量1000倍的物體。這項研究將在于本周的“美國科學院學報”（PNAS）上發表。
（受高強度折紙結構啟發的人造肌肉，可以定制成任何形狀，并舉起超過自身重量1000倍的物品，來源：哈佛大學Wyss研究所）
“我們對執行器（俗稱”肌肉“）的強大程度感到非常驚訝。我們預計他們會比普通的柔性機器人能舉起更高重量，但是我們沒有預料到會增加1000倍。就像給這些機器人超能力一樣。“本研究論文的高級作者之一、MIT CSAIL主任Daniela Rus教授說。
論文的通訊作者、哈佛大學Wyss研究所的Rob Wood博士補充解釋，人造肌肉執行器是所有工程中最重要的挑戰之一。“現在我們已經制造出了類似于天然肌肉的執行器，我們可以想象，很快就可以設計出幾乎能完成任何任務的機器人了。”
這種人造肌肉由一個內部“骨架”組成，骨架的材料由金屬線圈、折疊成特定圖案的塑料片或各種材料制成，由空氣或流體包圍，并密封在如同“皮膚”包裹的塑料或紡織袋內。通過改變袋子內部的真空狀態，使皮膚塌陷到骨骼上而引起肌肉的運動，從而產生驅動運動的張力。令人難以置信的是，這當中不需要其他電源或人力輸入來指導肌肉的運動，運動完全取決于骨架的形狀和組成。
“這些肌肉的不同之處在于它們是可編程的，就是說設計骨架折疊、如何定義整個結構、如何移動。”論文的第一作者，Wyss研究所和麻省理工學院CSAIL的聯合博士后李曙光（音譯）說：“從本質上講，你可以不受限制地構建各種運動方式而不需要控制系統。”這種方法使得肌肉非常緊湊和簡單，因而也更適合于不能搭載大型或重型器械的移動式或身體式系統。
“在創造機器人的時候，我們總是要問：‘智能體現在哪里？是身體還是大腦’？“Rus教授說。 “將智能集成到機器人體內（雷鋒網注：Rus教授指在其執行器上通過特定的折疊模式）有可能簡化機器人實現目標所需的算法。這些執行器都具有相同的簡單的開關，可以使得他們的身體轉化為各種各樣的運動。“
人造肌肉骨架的結構幾何決定了肌肉的運動方式。圖片來源：哈佛大學李曙光/ Wyss研究所
人造肌肉不僅可以實現多種方式的移動，而且其彈性也令人印象深刻。它們每單位面積產生的能量可以比哺乳動物骨骼肌產生的力量大六倍左右，而且也非常輕便，2.6克肌肉可以舉起一個3公斤的物體，這相當于一只野鴨舉起了一輛汽車。此外這一技術也很方便易用，實驗室人員可以在10分鐘內使用價格低于1美元的材料構建單個肌肉，使得它們易于測試和迭代。
這些肌肉可以由真空驅動，這使得它們比大多數其他目前正在測試的人造肌肉更安全。“柔性機器人的許多應用都是以人為中心的，所以當然重要的是要考慮到安全性，”Wyss研究所的論文和研究工程師的合著者Daniel Vogt說。 “這種真空人造肌肉不容易破裂，失敗和損傷的風險也較低，而且在操作時不會膨脹，因此您可以將它們整合到與人體更貼合的機器人上。”
除了類似于肌肉的屬性，這些柔性驅動器還具有高度的可擴展性。Wood博士稱，目前該團隊已經制造出從幾毫米到一米大小不等的人造肌肉，而它們的性能在各方面都是一樣的。這也意味著這種人造肌肉可以用于多種尺度的多種應用，如微型手術器械，可穿戴機器人外骨骼，可變形結構，用于研究或建造的深海操縱器，以及用于太空探索的大型可展開結構等。
該團隊還更進一步，從水溶性聚合物PVA中構建出人造肌肉，從而使得讓使用這種人造肌肉的機器人可以在自然環境中以最小的環境影響執行任務（例如可移動到身體特定位置的可攝入機器人，然后在那里溶解并釋放一種藥物）。 “這當中存在無限的可能性，我想用這些肌肉構建的下一個東西是一個大象機器人，它能夠像真實的大象那樣靈活和強大。“Rus教授笑稱。
本研究由國防高級研究院研究計劃局（DARPA），國家科學基金會（NSF）和Wyss生物創新工程研究所資助。雷鋒網也將持續關注這一研究的進一步應用。
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