机器人“自愈肌肉”研发取得进展

　　参考消息网6月9日报道 据美国《科学日报》网站5月30日报道，美国内布拉斯加大学林肯分校的一个工程团队，在开发能够模仿人类皮肤和植物表皮检测损伤与自愈能力的柔性机器人及可穿戴系统方面取得进展。

　　工程师埃里克·马克维卡与研究生伊桑·克林斯、帕特里克·麦克马尼格尔最近在佐治亚州亚特兰大举行的电气电子工程师学会国际机器人与自动化会议上发表了一篇论文，提出了一种柔性机器人技术的系统级方案。该技术可识别穿刺或极端压力造成的损伤，精确定位其位置，并自主启动自我修复。

　　该团队提出的策略可能有助于克服在开发借鉴自然设计原理的柔性机器人系统时遇到的一个老问题。

　　生物医学工程助理教授马克维卡说：“在我们的领域中，目前正大力推动使用柔性材料复制传统刚性系统，仿生设计也成为一大趋势。虽然我们已经能够制造出可拉伸、贴合的柔性电子器件和执行器，但它们在应对损伤并启动自我修复的能力方面往往无法模仿生物。”

　　为填补这一空白，他的团队开发了一种智能、可自愈人工肌肉，其多层架构使系统能够识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——所有这一切均无需外部干预。

　　马克维卡说：“人体和动物非常神奇。我们可能会被割伤、擦伤，遭受相当严重的损伤。在大多数情况下，只需很少的外部包扎和药物，我们就能自我修复很多损伤。如果我们能在合成系统中复制这一点，就将真正改变这一领域以及我们对电子器件和机器的看法。”

　　该团队设计的“肌肉”——或称为执行器(即机器人中将能量转化为物理运动的部件)——有三层。最底层是损伤检测层，是由嵌入硅弹性体的液态金属微滴构成的柔性电子皮肤。该皮肤黏附在中间层即自愈组件上，这是一种硬质热塑性弹性体。顶层是执行层，水加压时会启动肌肉的运动。

　　在修复过程开始时，团队在肌肉的底部“皮肤”上引入五路监测电流，皮肤连接着微控制器和传感电路。该层若遭到穿刺或压力损伤，就会触发线路之间形成电网。系统将这种电信号识别为损伤证据，随后增加流经新形成电网的电流。

　　这使该电网变成一个局部焦耳加热装置，将电流能量转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，热量便融化并重塑了中间的热塑层，从而封住了损伤区域——有效地自愈了伤口。

　　最后一步是通过消除底层的损伤电信号将系统重置为原始状态。为此，马克维卡的团队正在利用电迁移效应——一个电流导致金属原子迁移的过程。传统上，这种现象在金属电路中被视为一种麻烦，因为原子迁移会使电路材料变形并产生间隙，导致器件故障和损坏。

　　在一项重大创新中，研究人员正在利用电迁移效应来解决长期困扰他们创建自主自修复系统的难题：底层受损后形成的电网络看似长期存在。如果无法重置基线监测线路，系统就无法完成一次以上的损伤修复循环。

　　研究人员突然想到，电迁移具有物理分离金属离子并触发开路故障的能力，这可能是消除新形成线路的关键。该策略奏效了：通过进一步增大电流，团队可以诱导电迁移和热失效机制，从而重置损伤检测网络。

　　自主自修复技术有望革新许多行业。在内布拉斯加州这样的农业州，它可能对经常遇到树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统有好处。它还可能革新必须经受住日常磨损的可穿戴健康监测设备。

　　这项技术也将更广泛地造福社会。大多数消费类电子设备的使用寿命仅为一两年，每年产生数以十亿公斤计的电子垃圾。这些垃圾含有铅和汞等毒素，威胁着人类和环境健康。自修复技术可能有助于遏制这一趋势。（编译/涂颀）