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日本傳統適合什麽機器人?

說到機器人,我們的印象是,無論是美國波士頓動力公司研發的跳舞翻滾機器人,還是科幻電影中的機器人管家,雖然它們可以模仿人類行走或者跌倒、爬起來等壹些復雜的動作,但無論如何,它們都是仿生人類。我們看起來都很機械。畢竟都是電機和齒輪結合的智能機器人,和人類肌肉驅動的動作還是有很大區別的。

然而,日本東京工業大學研發的壹款仿生機器人可以算是機器人界的壹股“泥石流”,不僅打破了原始機器人由電機和齒輪驅動的傳統模式,甚至讓人懷疑真正的仿生機器人是否壹開始就走錯了方向。東京工業大學研發的這款仿生機器人有多天馬行空?

2014年,東京工業大學向外界透露,已經成功研制出壹種可以模仿人體肌肉纖維運動的纖維管。當時,這個消息並沒有引起太大的轟動,因為在仿生科學領域,成功模擬出生物的特征並不是什麽大新聞,但隨後,當大學將這壹研究成果付諸實踐時,所有人都震驚了。令人難以置信的是,他們研究了這種可以模仿人類肌肉纖維的纖維。

這款機器人的骨架是根據人體骨骼結構合成的,除了質感較輕,沒有什麽特別的技術含量。關鍵是機器人身上的“肌肉纖維”。我想以前不會有人認為壹把把橡膠管就能帶動骨骼移動,但這所大學的研究人員做到了。他們在1.2mm的橡膠管上貼上納米級網狀合成纖維,壹把把橡膠管完全模擬人體的不同肌肉群,穿過不同的束。

雖然目前這個機器人還有很多不足,比如整個骨架可以用繩子吊起來,可以做運動,但是特別慢,運動的精度還不如機械傳動的精確。甚至所有的動作都是隨意的,很多人覺得沒有實際意義。然而,正是這種看似“腦洞大開”的設計,讓機器人從堅硬的電機齒輪向柔軟的仿生人邁進了壹大步。

人工肌肉的概念其實在20世紀40年代就出現了,但當時只是壹個籠統的話題,而近十年來研究進展確實突飛猛進,因為很多特殊的高分子材料和智能材料如雨後春筍般研制成功,使人們實踐人工肌肉成為可能。

所謂人造肌肉,就是壹些材料通電後呈現出拉伸、彎曲、扭曲等各種復雜的狀態。這些材料的運動非常像自然界中的肌肉,因此得名。準確地說,這些新型智能高分子材料被稱為電活性聚合物。

電活性聚合物主要分為離子型和電子型。電子電活性聚合物通過DC電場直接使材料變形,但缺點是收縮後需要比較大的電壓才能使材料恢復原狀,而離子電活性聚合物由兩個電極和電解質組成,通電後根據離子的偏移改變形狀,但缺點是需要保持壹定的濕度,變形程度不可控。

很容易理解為什麽東京工業大學可以通過壹些橡膠管束來控制骨骼的運動,這壹切都要歸功於電活性高分子材料。

看到日本能造出這麽有想象力的仿生機器人,很多人會關心我們國家目前在這個領域屬於什麽水平。值得驕傲的是,我國在電活性高分子材料領域並沒有落後。

在2019期的《科學》雜誌上,發表了壹種新型的人工肌肉,由美國和中國的科研團隊共同研發。這種新型聚合物材料是由碳納米管和其他材料通過加撚等工藝制成的,並通過附著在各種紗線上形成活性殼狀塗層。通電後,激活活性殼狀塗層即可驅動整根紗線。與之前需要激活整個紡紗線相比,這種工藝具有響應速度更快、能耗更低、力量更大、選材更靈活等優點,平均收縮力是人體肌肉的40倍。

2021,1 10月29日,哈爾濱工業大學等國內外部分高校通過改進離子型電活性聚合物,將碳納米管原有的雙極驅動改造為單極驅動,不僅解決了碳納米管傳統雙極驅動的電容限制問題,還大大降低了能耗,提高了效率。

未來,隨著人工肌肉的不斷發展,仿生機器人像真人壹樣靈活自然也不是不可能。雖然現在技術比較落後,比如萊特兄弟發明飛機的時候,他們會想到今天的飛機能發展到這樣的程度嗎?還是那句話:談論壹個嬰兒的力量是沒有意義的。

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