柔性機器人的柔性驅(qū)動技術(shù)之氣動人工肌肉

今年是2020年，距離牛頓被第一個蘋果砸到過去了352年，與愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論相隔了103年，距離“人工智能”這一術(shù)語的誕生也隔了62年。

得益于科學(xué)家對人類身體的研究，近來，機器文明又取得了一項進步。利用對人類脊髓的研究成果，伊利諾伊大學(xué)香檳分校研究人員使用3D打印技術(shù)制造出柔軟骨架，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了由肌肉和脊髓組織提供動力的小型步行機器人“spinobots”。

該校細胞與發(fā)育生物學(xué)教授、研究帶頭人Martha Gillette說，雖然過去已經(jīng)有生物機器人可以通過簡單的肌肉收縮來前進，但脊髓的增加讓它們有了更自然的行走節(jié)奏。

Gillette說：“這些都是朝著交互式生物設(shè)備方向前進的開始，同時這些生物設(shè)備也可用于神經(jīng)計算和恢復(fù)醫(yī)學(xué)?！薄Ｑ芯恳訣mergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-muscle bioactuator(一種工程化多細胞脊髓肌肉生物激勵器中功能性神經(jīng)肌肉連接的發(fā)現(xiàn))為題，發(fā)表在了《APL生物工程》雜志上。

他們假設(shè)，一個完整的大鼠腰脊髓段可以與工程化的3D肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接，模擬周圍神經(jīng)系統(tǒng)的部分發(fā)育。且最終的試驗數(shù)據(jù)表明，大鼠脊髓能夠在離體之后與工程肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接。下一步，研究人員計劃進一步完善自旋機器人的動作，使它們的步態(tài)更自然。研究人員希望這種小范圍的脊髓整合是建立外周神經(jīng)系統(tǒng)體外模型的第一步，目前這在活體病人或動物模型中是很難研究的。

這不是第一次人類取得突破性的機器人進展，確實最近的一次人類在軟體機器人的突破。

1962年，美國Unimation公司的第一臺機器人Unimate在通用汽車(GM)公司投入使用，成為第一代機器人誕生的標志。此后的半個世紀里，伴隨著計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)以及先進制造技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。

而軟體機器人則是科學(xué)家為了使得機器人更像人的重點努力方向。隨著機器人應(yīng)用場景的多元化，逐漸提出"人機友好"的設(shè)計要求，傳統(tǒng)電機減速器等剛性驅(qū)動技術(shù)雖可提供較大輸出力，容易設(shè)計具有高帶寬、高性能的力驅(qū)動器，但其順應(yīng)性差，在"人機交互"時安全性不高。關(guān)注公眾號三〇智工，工科領(lǐng)域技能人才優(yōu)質(zhì)崗位一鍵推薦、智能制造企業(yè)人才招聘解決方案。但進行脊髓等機器人執(zhí)行器設(shè)計主要考慮的是驅(qū)動問題，柔性驅(qū)動方式憑借其適應(yīng)性強、重量輕、良好的人機交融等優(yōu)勢，在醫(yī)療康復(fù)和服務(wù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。且隨著生物力學(xué)的發(fā)展，人體骨骼-肌肉結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性愈發(fā)引起重視，柔性驅(qū)動技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)和服務(wù)領(lǐng)域有著愈發(fā)廣泛的應(yīng)用。

對于軟體機器人來說，由于具備高安全性以及能與人類、惡劣環(huán)境進行自適應(yīng)性交互，軟體機器人擁有了傳統(tǒng)剛性傳機器人難以具備的功能。比如，軟體機器人在執(zhí)行抓取作業(yè)時因其自身的柔軟性而能改變自身形態(tài)，對一些易碎品和不規(guī)則物體進行抓取時，采取包裹形式抓取，不會損壞物體。

而運動，往往需要肌肉發(fā)力，氣動人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種，是科學(xué)家認為機器人動力的來源。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場下通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

氣動人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動進行推拉動作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來形容它再合適不過了。

氣動人工肌肉往往用限制變形的支撐材料作為骨架，骨架內(nèi)部是可膨脹的氣囊（或類氣囊）結(jié)構(gòu)，通過氣囊的膨脹和收縮來執(zhí)行各種柔順的動作，這種結(jié)構(gòu)繼承了氣動元件的基本優(yōu)點，同時還具備了結(jié)構(gòu)簡單、高柔性和良好的仿生特征等其他機械執(zhí)行機構(gòu)所無法比擬的特點，是應(yīng)用最為廣泛的柔性驅(qū)動方式之一。

目前，按照人工氣動肌肉的結(jié)構(gòu)大致可分為類編織結(jié)構(gòu)、纖維類增強結(jié)構(gòu)、彈性氣室結(jié)構(gòu)、增強彈性結(jié)構(gòu)，當然近來也有一些新的肌肉結(jié)構(gòu)。

類編織結(jié)構(gòu)型氣動肌肉

20世紀50年代,美國原子物理學(xué)家Joseph L. McKibben設(shè)計出最早的氣動人工肌肉驅(qū)動器，被稱為McKibben型PMA(Pneumatic Muscle Actuator)，如圖所示。一般而言，氣動人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動，作推拉動作，其過程就像人體的肌肉運動。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動人工肌肉重量只有10g。

圖：McKibben型PMA （來源[2]）

而這個設(shè)計當時其結(jié)構(gòu)為:內(nèi)層為橡膠管，橡膠管外面用纖維編織網(wǎng)套住,兩端用金屬挾箍密封。關(guān)注公眾號三〇智工，工科領(lǐng)域技能人才優(yōu)質(zhì)崗位一鍵推薦、智能制造企業(yè)人才招聘解決方案。當向橡膠管內(nèi)腔充入壓縮氣體時，隨著內(nèi)腔氣體壓力上升,橡膠管沿徑向膨脹,膨脹的橡膠管撐起外層纖維編織網(wǎng),使得徑向膨脹力變?yōu)檩S向收縮力,其運動形式酷似生物肌肉，這種類編制結(jié)構(gòu)是人工氣動肌肉應(yīng)用最多的形式。

此前，東京工業(yè)大學(xué)Giacometti機械臂便應(yīng)用了這種技術(shù)，主要由薄膜氣球、McKibben型氣動肌肉、充氣導(dǎo)管以及提供氣源的基座組成。Giacometti 充氣臂利用人造肌肉產(chǎn)生的扭矩提供關(guān)節(jié)處的彎曲力，常規(guī)肌腱驅(qū)動的機械臂需要充氣臂桿在非關(guān)節(jié)處提供高強度的抗彎力，以抵抗肌腱力避免發(fā)生形變，或者設(shè)計臂桿側(cè)壁結(jié)構(gòu)抵抗肌腱反作用力。

圖：Giacometti機械臂（來源[3]）

圖：Giacometti機械臂（來源[3]）

纖維類增強結(jié)構(gòu)型氣動肌肉

在此基礎(chǔ)上，為了節(jié)省成本，又一種新的氣動結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)了，這是由哈佛大學(xué) Biodesign Lab實驗室開發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)的氣動肌肉。該氣動肌肉一側(cè)為固定材料，拉伸性能較差，但有良好的彎曲性能；另一側(cè)為可拉伸纖維，直接影響肌肉的彎曲性能。當可拉伸纖維伸長時，另一側(cè)固定材料不發(fā)生軸向變化，限制肌肉在該側(cè)的長度，但纖維面軸向伸長，導(dǎo)致肌肉回向固定材料側(cè)發(fā)生彎曲運動，反之肌肉則會向纖維側(cè)發(fā)生彎曲運動。

圖：纖維類增強結(jié)構(gòu)（來源[4]）

彈性氣室結(jié)構(gòu)型氣動肌肉

而為了提供更強大的動力，哈佛大學(xué)Wyss Institute研究團隊利用氣壓變化研制了一種新式氣動肌肉[5]。這種形式的氣動肌肉主要組成部分為可抽氣的密封氣室。當密封氣室內(nèi)氣壓與外界大氣壓相同，相互之間不產(chǎn)生力時，肌肉處于放松狀態(tài)；當抽出氣室中的空氣，外界大氣壓會對氣室產(chǎn)生作用力，使肌肉處于彎曲狀態(tài)。這種形式的氣動肌肉彎曲能力直接與大氣壓力有關(guān)，導(dǎo)致其負載性能較弱，輸出力有限。

圖：彈性氣室結(jié)構(gòu)約束（來源[5]）

增強彈性結(jié)構(gòu)型氣動肌肉

美國哈佛大學(xué)利用爆燃原理研制了一款增強彈性結(jié)構(gòu)氣動肌肉，如圖5所示。該種肌肉主要部分為增強彈性材料制成的氣室。與彈性氣室結(jié)構(gòu)不同的是，在增強材料結(jié)構(gòu)氣室中進行甲烷的燃燒，利用甲烷爆燃產(chǎn)生沖擊力實現(xiàn)肌肉的跳躍運動。該種結(jié)構(gòu)無需充氣設(shè)備，能夠提供較大作用力，但由于是爆燃產(chǎn)生的沖擊力，該種肌肉難以實現(xiàn)精確控制。

圖：增強彈性結(jié)構(gòu)約束（來源哈佛大學(xué)Bi）

2000 年 FESTO 公司推出了仿生氣動肌腱系列化產(chǎn)品，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案，標志著氣動人工肌肉進入了一個嶄新的時代，它已正式成為了一種標準的氣動執(zhí)行元件。氣動人工肌肉良好的仿生特征決定了其在機器人領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展與機器人技術(shù)息息相關(guān)，兩者結(jié)合可使機器人完成更多的類人操作。

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2019 年 7 月，MIT 科研團隊還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當期 Science 封面。

這種纖維可以用作機器人，義肢，其他機械和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的人造肌肉，也可用于微小的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如通過進入動脈然后被激活的醫(yī)療機器人。極輕的重量再加上對刺激很好的反饋里都讓它從眾多材料中脫穎而出，同時這種纖維還可以被捆綁在一起使用，就像肌肉細胞在人體內(nèi)的情況一樣，如此一來載荷效果更佳。

近日，國際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉）。上述研究團隊受到象鼻的啟發(fā)，基于氣動人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），也研制出了一種新型柔性軟體機器人。

實際上，人造肌肉材料已成為當今研究的前沿和熱門，這與人們對柔性機器人領(lǐng)域越來越多的關(guān)注密不可分。柔性機器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強的安全性，以及良好的人機互動性。正如香港科技大學(xué)機器人研究院院長、機械及航空航天工程學(xué)系教授王煜在 2018 年世界機器人大會上所說：

不過，想要完美地同時兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個突破口，比如中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團隊考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動的方式驅(qū)動機器人運動。

雖然現(xiàn)階段柔性機器人領(lǐng)域仍比較“概念化”，但其應(yīng)用前景廣泛，未來必將會帶來新的變革。