机器人只能模仿“太爷爷走路”？科学家研发跨越不同地形的人造肌肉

苏黎世联邦理工学院和马克斯普朗克智能系统研究所的研究人员开发了一种带有人造肌肉的机器腿。受生物的启发，它以灵活和节能的方式跨越不同的地形。

　　

发明家和研究人员开发机器人已有近70年的历史。

迄今为止，他们制造的所有机器——无论是用于工厂还是其他地方——都有一个共同点:它们都是由马达驱动的，这项技术已经有200年的历史了。即使是行走机器人的胳膊和腿也是由马达驱动的，而不是像人类和动物那样由肌肉驱动。这在一定程度上说明了为什么它们缺乏生物的移动性和适应性。

一种新型的肌肉动力机器人腿不仅比传统的机器人腿更节能，而且还可以进行跳高和快速运动，以及探测和对障碍物做出反应——所有这些都不需要复杂的传感器。这条新腿是由苏黎世联邦理工学院和马克斯普朗克智能系统研究所(MPI-IS)的研究人员在马克斯普朗克ETH学习系统中心(简称CLS)的合作研究中开发的。CLS团队由苏黎世联邦理工学院的Robert Katzschmann和MPI-IS的Christoph Keplinger领导。他们的博士生Thomas Buchner和Toshihiko Fukushima是该团队在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的一篇以动物为灵感的肌肉骨骼机器人腿的论文的共同第一作者。

与人类和动物一样，伸肌和屈肌保证了机器人腿可以向两个方向移动。这些电液致动器，研究人员称之为HASELs，通过肌腱连接在骨骼上。

驱动器是装满油的塑料袋，类似于用来制作冰块的塑料袋。每个袋子的两边大约有一半涂有导电材料制成的黑色电极。Buchner解释说:“只要我们给电极施加电压，它们就会因为静电而相互吸引。同样，当我用气球摩擦我的头时，由于同样的静电，我的头发也会粘在气球上。”

当一个人增加电压时，电极靠得更近，把袋子里的油推到一边，使袋子整体变短。

一对这样的致动器连接在骨骼上，产生与生物相同的成对肌肉运动:当一块肌肉变短时，另一块肌肉就变长。研究人员使用与高压放大器通信的计算机代码来控制哪些驱动器收缩，哪些驱动器扩展。

研究人员将这种机器腿的能量效率与传统的电动机器腿进行了比较。除此之外，他们还分析了有多少能量被不必要地转化为热能。

Buchner说:“在红外图像上，很容易看出，如果它必须保持弯曲的位置，电动腿会消耗更多的能量。”相比之下，电液腿的温度保持不变。这是因为人造肌肉是静电的。这就像气球和头发的例子一样，头发在气球上粘了很长时间。”

“通常，电动驱动的机器人需要热管理，这需要额外的散热器或风扇来将热量扩散到空气中。我们的系统不需要它们，”Fukushima说。

机器人腿的跳跃能力是基于它爆炸性地提升自身重量的能力。研究人员还表明，机器人腿具有高度的适应性，这对软机器人来说尤为重要。只有当肌肉骨骼系统具有足够的弹性时，它才能灵活地适应所讨论的地形。

“这与生物没有什么不同。例如，如果我们不能弯曲膝盖，在不平坦的地面上行走就会变得更加困难，”Katzschmann说。“想象一下从人行道上走下来，走到马路上。”

与电动机需要传感器不断地告诉机器人腿的角度不同，人造肌肉通过与环境的相互作用来适应合适的位置。这仅仅由两个输入信号驱动:一个用于弯曲关节，另一个用于伸展关节。

Fukushima解释说:“适应地形是一个关键方面。当一个人跳到空中落地时，他们不必事先考虑应该把膝盖弯曲成90度还是70度。”

同样的原理也适用于机器人腿的肌肉骨骼系统:在着陆时，腿部关节根据表面是硬还是软，自适应地移动到合适的角度。

新兴技术带来了新的可能性

电液执行器的研究领域还很年轻，大约在6年前才出现。“随着先进控制和机器学习的发展，机器人领域正在迅速发展;相比之下，同样重要的机器人硬件方面的进展要小得多。Katzschmann说:“这篇文章有力地提醒了我们，引入新的硬件概念，比如人工肌肉的使用，会带来多大的颠覆性创新潜力。”

电液致动器不太可能用于建筑工地的重型机械，但它们确实比标准电动机具有特定的优势。这在抓手等应用中尤其明显，抓手的动作必须高度定制，具体取决于被抓手的物体是球、鸡蛋还是西红柿。

Katzschmann确实有一个保留意见:“与带电动马达的行走机器人相比，我们的系统仍然有限。这条腿目前被绑在一根杆子上，绕着圈跳，还不能自由移动。未来的工作应该克服这些限制，为开发具有人造肌肉的真正行走机器人打开大门。如果我们将机器人腿与四足机器人或有两条腿的人形机器人结合起来，也许有一天，当它由电池供电时，我们可以将它部署为救援机器人。”

Electrohydraulic musculoskeletal robotic leg for agile, adaptive, yet energy-efficient locomotion