研究生帮助设计可以扔进堆肥箱的人造肌肉

向未来的机器人问好：它们足够柔软和灵活，可以从墙壁上反弹或挤进狭窄的空间。当你用完它们后，你可以把这些机器扔进堆肥箱里分解。

这是包括CU Boulder研究生Ellen Rumley在内的工程师团队的愿景。在上个月发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了他们对一种新型机器人执行器或“人造肌肉”的设计。该小组的致动器通过在柔软的囊中移动流体来工作，可以通过逼真的运动为机器人手臂和腿提供动力。它们还可以在几个月内自然溶解在土壤中，使它们比以前的型号更具可持续性。

“你可以把它们扔进工业堆肥箱，”Rumley说，他是这项新研究的共同第一作者，也是CU Boulder的Paul M. Rady机械工程系的研究员。“我们希望该项目能够激励其他工程师在开发机器人技术时考虑到可持续性。

想想电影《大英雄6》中的枕头机器人Baymax，它与可生物降解的杂货袋混合在一起。

该项目源于Christoph Keplinger领导的长期努力，Christoph Keplinger曾是CU Boulder机械工程助理教授，现在是德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所所长。2018年，他和他的同事推出了一系列人造肌肉，他们称之为液压放大自愈电子(HASEL)执行器。像人体肌肉一样，这些致动器可以像二头肌一样弯曲机械臂或挤压爪子和抓手。

但直到现在，他们无法做的是消失在垃圾填埋场。

在这项新研究中，该团队开发了一系列完全由可持续成分制成的软机器人执行器。肌肉与传统的HASEL执行器一样通用，在某些情况下，可以弯曲100，000次或更长时间而不会断裂。

“特别令人兴奋的是，我们最终得到了一个完全可生物降解的材料系统，并且仍然可以匹配由不可生物降解材料制成的执行器的关键性能指标，”Artimus Robotics的联合创始人Keplinger说，Artimus Robotics是一家开发和销售HASEL执行器的博尔德公司。

“新材料系统的可持续性现在为需要为单次或短期使用而设计的组件的应用开辟了非常有趣的途径，例如在食品处理或医疗应用领域。

机器人的人造肌肉

Rumley自己对另一种机器人的探索可以追溯到几年前。作为阿拉斯加州安克雷奇的一名高中生，Rumley加入了一个机器人俱乐部，在那里她学会了为FIRST技术挑战赛设计机器人。她永远无法克服由金属和塑料制成的硬机器人的不优雅。

“我觉得机器人的刚性是它们身体能力的一大限制因素，”拉姆利说，她在博尔德开始了她的研究生学习，然后于 2020 年搬到德国，在开普林格实验室担任访问研究员。“当你看到一个人走在机器人旁边时，这尤其令人震惊。

然而，软机器人可以通过将工程技术的进步与生物有机体的柔软性和灵活性相结合来解决这些问题。

HASEL执行器由塑料袋内的变压器油组成，塑料袋部分被一层薄薄的电导体覆盖。如果你在导体上通电，袋子会“拉链在一起”，Rumley说，将流体从一端挤压到另一端。结果，袋子会改变形状，并且可以对机器人肢体等设备施加力。

Keplinger在CU Boulder的Venture Partners的支持下，于2018年帮助创立了Artimus Robotics，与Tim Morrissey，Eric Acome，Shane Mitchell和Nick Kellaris一起将执行器商业化。Kellaris于2020年获得CU Boulder材料科学与工程博士学位，也是这篇新论文的合著者。

在这项新研究中，Rumley和她的同事着手确定可以取代早期设计的每一点的可持续组件。

“我们正在寻找兼容材料的完美组合，以制造高性能的可生物降解肌肉，”她说。

作为系统和广泛的材料科学工作的一部分，Rumley和她的同事测试了各种可生物降解的候选材料，以取代其执行器中的塑料袋。一个不错的选择是可生物降解的聚酯混合物，通常用于购物袋，甚至还印有胡萝卜的图像。

该团队对人造肌肉的最终设计几乎可以举起与普通HASEL执行器一样高，并将在堆肥设施中降解约6个月。

未来的机器人

Rumley是2020年美国国家科学基金会研究生研究奖学金的获得者，她将从CU Boulder获得博士学位，但其余时间将在欧洲学习。在那里，她学会了说一点德语，享受国际生活，尽管她有时会喜欢科罗拉多州和阿拉斯加的开阔风景。

“我想念涉水到河里钓鲑鱼，”她说。“这在德国并不大。

但这位工程师表示，成为帮助开创机器人新时代的研究团队的一员是值得的。例如，开普林格曾设想HASEL执行器有朝一日可以为钢铁侠般的“外衣”提供动力，帮助瘫痪的人行走。

“这些应用程序非常令人兴奋，特别是对于可以帮助身体受损的人的设备，”Rumley说。“我有动力开发能够赋予服务不足人群权力的技术。