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想象一下可以向各個方向扭轉和轉動的靈活手術器械，例如微型章魚手臂，或者可以與生產線上的人類工人密切安全地工作的大型強大的機器人觸手如何。得益于由智能聚合物材料制成的強壯“肌肉”和敏感“神經”的結合，新一代機器人工具開始實現。由智能材料專家 Ｓｔｅｆａｎ Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 教授和薩爾大學初級教授 Ｇｉａｎｌｕｃａ Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 領導的研究團隊正在探索這個令人興奮的軟機器人領域的基本方面。
在未來的工廠中，人與機器將并肩工作——和諧地、作為一個團隊、必要時聯手——就像機器人一樣同事是血肉之軀。雖然協作機器人（“ｃｏｂｏｔｓ”）已經在工業生產線上部署，但真正實現機器人與其人類同行的手拉手團隊合作還有一段路要走。問題在于人類同事之間的物理距離，他們的行為與機器人的行為不同，不遵循可預測的算法。人類工作者可能會變得疲倦或分心，結果可能會突然甚至不合邏輯地采取行動。這對安全有明顯的影響，并解釋了為什么目前在生產線上使用的機械臂通常被安置在籠子里。對于任何靠得太近的人，事情都會變得危險。通常，工業機器人是大型重型機器。但它們也強大、快速和敏捷，可用于廣泛的操作，如焊接、組裝、噴漆、堆疊和提升。然而，它們執行的動作完全由控制它們的程序決定。如果有人擋住他們的路或離他們太近，后果可能很嚴重。
薩爾大學的團隊和薩爾布呂肯的機電一體化和自動化技術中心 （ＺｅＭＡ） 正在研究新型智能機器人手臂。“我們的技術基于智能聚合物系統，使我們能夠創造出比當今使用的剛性組件更輕、更靈活、更靈活的新型軟機器人工具，”Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 解釋說。未來這些機械臂之一的意外推動更像是被人類同事推動（并且不太可能讓您住院）。
用于這些新型軟機械臂的材料是一種特殊的聚合物，稱為“介電彈性體”。薩爾布呂肯的研究人員正在使用這種復合材料制造人造肌肉和神經。介電彈性體的特殊性能使開發受自然界巧妙設計啟發的系統成為可能。這些彈性體可以被壓縮，但隨后可以被拉伸以恢復其原始形狀。“我們在彈性體的兩側印刷電極材料。當我們施加電壓時，兩個電極相互吸引，壓縮聚合物并使其向側面膨脹，“基于聚合物的自適應系統初級教授 Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 博士說。研究科學家從那時起就一直在 Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 的團隊工作２０１６． 因此，彈性體可以像肌肉組織一樣收縮和放松。“我們在設計執行器時利用了這種特性，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 解釋說。通過精確地改變電場，工程師可以使彈性體執行高頻振動或連續可變的彎曲運動，甚至保持在特定的所需中間位置。
然后研究人員將大量這些小“肌肉”結合起來，創造出一個靈活的機器人手臂。當以這種方式組合形成機器人觸手時，肌肉之間的相互作用會產生模仿章魚手臂的運動，可以向各個方向扭轉和轉動。與目前使用的笨重、剛性的機器人肢體一樣，它們只能在某些方向上執行運動，這些新的機器人觸手幾乎可以在任何方向上自由移動。Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 和他的博士生 Ｊｏｈａｎｎｅｓ Ｐｒｅｃｈｔｌ 最近在 ＲｏｂｏＳｏｆｔ ２０２１ 會議上獲得了最佳論文獎，以表彰他們在開發基于電介質彈性體的觸手原型方面的工作——這只是 Ｓｅｅｌｅｃｋｅ 教授研究團隊獲得的眾多榮譽之一。該團隊希望在大約一年的時間內完全開發出觸手原型。
在將智能賦予聚合物材料方面，Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 堪稱專家。他提供控制單元（即機器人的“大腦”）以智能方式移動手臂所需的輸入——這是一項高度復雜和雄心勃勃的任務。“這些系統比當今使用的機械臂復雜得多。使用人工智能來控制基于聚合物的組件比控制傳統的機電系統更具挑戰性，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 解釋道。由于彈性體肌肉也具有傳感器特性，它們可以充當系統的神經，這意味著機器人手臂不需要配備額外的傳感器。“彈性體的每一次變形，其幾何形狀的每一次變化都會導致材料電容的變化，這使團隊能夠為彈性體的任何特定變形分配精確的電容值。通過測量電容，
然后可以使用該定量數據對彈性臂的運動進行精確建模和編程。Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 的研究工作重點是開發可以訓練這些新型機器人觸手以所需方式移動和響應的智能算法。“我們正試圖揭示導致這些聚合物行為的物理特性。我們知道的越多，我們就能越精確地設計算法來控制彈性體肌肉，”Ｒｉｚｚｅｌｌｏ 博士說。
薩爾州正在開發的技術將是可擴展的。它可用于制造醫療器械的微型觸手或制造用于工業應用的大型機械臂。但與當今使用的重型機械臂不同，由智能彈性體制成的機械臂將輕得多。“我們的機械臂不需要由電機或液壓或氣動系統驅動——它們可以簡單地通過施加電流來驅動。彈性體肌肉也可以制成滿足特定應用要求的形狀．而且它們消耗的電能很少。根據電容的不同，流過的電流在微安范圍內。這種軟機器人技術在未來具有巨大的前景，因為它既節能又制造成本低， ”
轉載自|城鄉經濟網
