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想象一下可以向各個方向扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動的靈活手術(shù)器械，例如微型章魚手臂，或者可以與生產(chǎn)線上的人類工人密切安全地工作的大型強大的機器人觸手如何。得益于由智能聚合物材料制成的強壯“肌肉”和敏感“神經(jīng)”的結(jié)合，新一代機器人工具開始實現(xiàn)。由智能材料專家 Ｓｔｅｆａｎ Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 教授和薩爾大學(xué)初級教授 Ｇｉａｎｌｕｃａ Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊正在探索這個令人興奮的軟機器人領(lǐng)域的基本方面。
在未來的工廠中，人與機器將并肩工作——和諧地、作為一個團隊、必要時聯(lián)手——就像機器人一樣同事是血肉之軀。雖然協(xié)作機器人（“ｃｏｂｏｔｓ”）已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)線上部署，但真正實現(xiàn)機器人與其人類同行的手拉手團隊合作還有一段路要走。問題在于人類同事之間的物理距離，他們的行為與機器人的行為不同，不遵循可預(yù)測的算法。人類工作者可能會變得疲倦或分心，結(jié)果可能會突然甚至不合邏輯地采取行動。這對安全有明顯的影響，并解釋了為什么目前在生產(chǎn)線上使用的機械臂通常被安置在籠子里。對于任何靠得太近的人，事情都會變得危險。通常，工業(yè)機器人是大型重型機器。但它們也強大、快速和敏捷，可用于廣泛的操作，如焊接、組裝、噴漆、堆疊和提升。然而，它們執(zhí)行的動作完全由控制它們的程序決定。如果有人擋住他們的路或離他們太近，后果可能很嚴重。
薩爾大學(xué)的團隊和薩爾布呂肯的機電一體化和自動化技術(shù)中心 （ＺｅＭＡ） 正在研究新型智能機器人手臂。“我們的技術(shù)基于智能聚合物系統(tǒng)，使我們能夠創(chuàng)造出比當今使用的剛性組件更輕、更靈活、更靈活的新型軟機器人工具，”Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 解釋說。未來這些機械臂之一的意外推動更像是被人類同事推動（并且不太可能讓您住院）。
用于這些新型軟機械臂的材料是一種特殊的聚合物，稱為“介電彈性體”。薩爾布呂肯的研究人員正在使用這種復(fù)合材料制造人造肌肉和神經(jīng)。介電彈性體的特殊性能使開發(fā)受自然界巧妙設(shè)計啟發(fā)的系統(tǒng)成為可能。這些彈性體可以被壓縮，但隨后可以被拉伸以恢復(fù)其原始形狀。“我們在彈性體的兩側(cè)印刷電極材料。當我們施加電壓時，兩個電極相互吸引，壓縮聚合物并使其向側(cè)面膨脹，“基于聚合物的自適應(yīng)系統(tǒng)初級教授 Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 博士說。研究科學(xué)家從那時起就一直在 Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 的團隊工作２０１６． 因此，彈性體可以像肌肉組織一樣收縮和放松。“我們在設(shè)計執(zhí)行器時利用了這種特性，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 解釋說。通過精確地改變電場，工程師可以使彈性體執(zhí)行高頻振動或連續(xù)可變的彎曲運動，甚至保持在特定的所需中間位置。
然后研究人員將大量這些小“肌肉”結(jié)合起來，創(chuàng)造出一個靈活的機器人手臂。當以這種方式組合形成機器人觸手時，肌肉之間的相互作用會產(chǎn)生模仿章魚手臂的運動，可以向各個方向扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動。與目前使用的笨重、剛性的機器人肢體一樣，它們只能在某些方向上執(zhí)行運動，這些新的機器人觸手幾乎可以在任何方向上自由移動。Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 和他的博士生 Ｊｏｈａｎｎｅｓ Ｐｒｅｃｈｔｌ 最近在 ＲｏｂｏＳｏｆｔ ２０２１ 會議上獲得了最佳論文獎，以表彰他們在開發(fā)基于電介質(zhì)彈性體的觸手原型方面的工作——這只是 Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 教授研究團隊獲得的眾多榮譽之一。該團隊希望在大約一年的時間內(nèi)完全開發(fā)出觸手原型。
在將智能賦予聚合物材料方面，Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 堪稱專家。他提供控制單元（即機器人的“大腦”）以智能方式移動手臂所需的輸入——這是一項高度復(fù)雜和雄心勃勃的任務(wù)。“這些系統(tǒng)比當今使用的機械臂復(fù)雜得多。使用人工智能來控制基于聚合物的組件比控制傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 解釋道。由于彈性體肌肉也具有傳感器特性，它們可以充當系統(tǒng)的神經(jīng)，這意味著機器人手臂不需要配備額外的傳感器。“彈性體的每一次變形，其幾何形狀的每一次變化都會導(dǎo)致材料電容的變化，這使團隊能夠為彈性體的任何特定變形分配精確的電容值。通過測量電容，
然后可以使用該定量數(shù)據(jù)對彈性臂的運動進行精確建模和編程。Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 的研究工作重點是開發(fā)可以訓(xùn)練這些新型機器人觸手以所需方式移動和響應(yīng)的智能算法。“我們正試圖揭示導(dǎo)致這些聚合物行為的物理特性。我們知道的越多，我們就能越精確地設(shè)計算法來控制彈性體肌肉，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 博士說。
薩爾州正在開發(fā)的技術(shù)將是可擴展的。它可用于制造醫(yī)療器械的微型觸手或制造用于工業(yè)應(yīng)用的大型機械臂。但與當今使用的重型機械臂不同，由智能彈性體制成的機械臂將輕得多。“我們的機械臂不需要由電機或液壓或氣動系統(tǒng)驅(qū)動——它們可以簡單地通過施加電流來驅(qū)動。彈性體肌肉也可以制成滿足特定應(yīng)用要求的形狀．而且它們消耗的電能很少。根據(jù)電容的不同，流過的電流在微安范圍內(nèi)。這種軟機器人技術(shù)在未來具有巨大的前景，因為它既節(jié)能又制造成本低， ”
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