工程師為機(jī)器人開發(fā)了一種自修復(fù)肌肉

內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的一個工程團(tuán)隊在開發(fā)模仿人類和植物皮膚檢測和自愈損傷能力的軟體機(jī)器人和可穿戴系統(tǒng)方面又邁出了新的一步。

工程師埃里克·馬克維克卡以及研究生埃 than·金斯和帕特里克·麥克馬尼格爾最近在喬治亞州亞特蘭大舉行的 IEEE 國際機(jī)器人與自動化會議上提交了一篇論文，該論文提出了一種軟體機(jī)器人技術(shù)的系統(tǒng)級方法，該方法可以識別穿刺或極端壓力造成的損傷，確定其位置并自主啟動自修復(fù)。

該論文是 1606 篇提交論文中 39 篇被選為 ICRA 2025 最佳論文獎決賽候選論文之一。它還獲得了最佳學(xué)生論文獎和機(jī)制與設(shè)計類別的決賽資格。

該團(tuán)隊的戰(zhàn)略可能有助于克服開發(fā)軟體機(jī)器人系統(tǒng)中的一個長期難題，這些系統(tǒng)借鑒了自然設(shè)計原理。

"在我們的社區(qū)中，人們大力推動使用軟材料復(fù)制傳統(tǒng)的剛性系統(tǒng)，并且生物仿生學(xué)也正蓬勃發(fā)展，'馬克維克卡說，他是生物醫(yī)學(xué)工程系的羅伯特·F·馬克和米娜·L·克羅恩助理教授。'雖然我們已經(jīng)能夠創(chuàng)造出柔軟且可貼合的電子設(shè)備和驅(qū)動器，但它們往往無法像生物學(xué)那樣在受到損傷后做出反應(yīng)并啟動自我修復(fù)。"

為了填補這一空白，他的團(tuán)隊開發(fā)了一種智能的自愈合人工肌肉，該肌肉具有多層結(jié)構(gòu)，能夠使系統(tǒng)識別和定位損傷，然后啟動自我修復(fù)機(jī)制——所有這一切都不需要外部干預(yù)。

"人體和動物都非常神奇。我們可以受傷、瘀傷，并遭受相當(dāng)嚴(yán)重的損傷。在大多數(shù)情況下，通過非常有限的外部繃帶和藥物應(yīng)用，我們能夠自我修復(fù)很多東西，'馬克維克卡說。'如果我們能夠在合成系統(tǒng)中復(fù)制這種能力，那將真正改變該領(lǐng)域以及我們?nèi)绾慰创娮釉O(shè)備和機(jī)器。"

該團(tuán)隊的“肌肉”——或稱執(zhí)行器，即機(jī)器人將能量轉(zhuǎn)化為物理運動的部件——有三層結(jié)構(gòu)。最底層是損傷檢測層，由嵌入硅橡膠中的液態(tài)金屬微滴組成的軟電子皮膚。該皮膚粘附在中間層，即自修復(fù)組件，這是一個硬質(zhì)熱塑性彈性體。最上面是驅(qū)動層，當(dāng)用水加壓時，它會啟動肌肉的運動。

該過程開始時，團(tuán)隊在肌肉最底層的“皮膚”上施加五個監(jiān)測電流，該層連接到微控制器和傳感電路。該層的穿刺或壓力損傷會觸發(fā)跡線之間形成電網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)識別這個電足跡作為損傷的證據(jù)，并隨后增加通過新形成電網(wǎng)絡(luò)的電流。

這使得網(wǎng)絡(luò)能夠作為一個局部焦耳加熱器運行，將電能轉(zhuǎn)化為損傷區(qū)域的周圍熱量。幾分鐘之后，這種熱量熔化并重新處理中間的熱塑性層，從而密封損傷——有效地自愈傷口。

最后一步是通過擦除底層損傷的電氣足跡將系統(tǒng)重置為其原始狀態(tài)。為此，Markvicka 的團(tuán)隊正在利用電遷移的影響，這是一個電流導(dǎo)致金屬原子遷移的過程。這種現(xiàn)象傳統(tǒng)上被視為金屬電路中的障礙，因為移動的原子會變形并導(dǎo)致電路材料中的間隙，從而導(dǎo)致設(shè)備故障和斷裂。

在一項重大創(chuàng)新中，研究人員正在利用電遷移來解決他們長期努力創(chuàng)建自主、自愈系統(tǒng)所面臨的問題：損傷引起的底層電氣網(wǎng)絡(luò)的看似永久性。如果沒有重置基線監(jiān)控跡線的能力，系統(tǒng)無法完成超過一個損傷和修復(fù)的循環(huán)。

研究人員意識到，電遷移——憑借其分離金屬離子的物理能力和引發(fā)開路故障的能力——可能是擦除新形成痕跡的關(guān)鍵。該策略奏效了：通過進(jìn)一步加大電流，該團(tuán)隊可以誘導(dǎo)電遷移和熱失效機(jī)制，從而重置損傷檢測網(wǎng)絡(luò)。

"電遷移通常被認(rèn)為是一個巨大的負(fù)面問題，"馬克維克婭說。"它是阻礙電子小型化的瓶頸之一。我們在這里以一種獨特且真正積極的方式使用它。我們首次利用它來擦除我們過去認(rèn)為是不變的痕跡。"

自主自愈技術(shù)有可能徹底改變許多行業(yè)。在像內(nèi)布拉斯加這樣的農(nóng)業(yè)州，它可能為經(jīng)常遇到尖銳物體（如樹枝、荊棘、塑料和玻璃）的機(jī)器人系統(tǒng)帶來福音。它也可能徹底改變必須承受日常磨損的穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備。

這項技術(shù)也將更廣泛地惠及社會。大多數(shù)基于消費者的電子產(chǎn)品只有一兩年壽命，每年都會產(chǎn)生數(shù)十億英鎊的電子垃圾。這種垃圾含有鉛、汞等有毒物質(zhì)，威脅人類和環(huán)境健康。自修復(fù)技術(shù)可以幫助遏制這一趨勢。

“如果我們能夠開始創(chuàng)造能夠相當(dāng)自主地檢測到損壞何時發(fā)生，并隨后啟動這些自我修復(fù)機(jī)制的材料，這將真正具有變革性，”馬克維克婭說。