Gianluca Rizzello，带“介电弹性体”萨尔布吕肯的研究人员正在使用这种复合材料来制造用于柔性机器人手臂的人造肌肉和神经。Credit: Oliver Dietze想象一下可以像微型章鱼手臂一样向各个方向扭动和转动的柔性外科手术器械，或者可以与生产线上的人类工人紧密、安全地合作的大而有力的机器人触角怎么样。得益于智能聚合材料创造的强大“肌肉”和敏感“神经”的结合，新一代机器人工具开始实现。由萨尔州大学智能材料专家斯特凡·塞莱克教授和初级教授吉安卢卡·里兹洛领导的研究小组正在探索这个令人兴奋的软机器人领域的基本方面。在未来的工厂里，人和机器将并肩工作——和谐地，作为一个团队，在必要的时候联合起来——就像机器人同事是由血肉之躯组成的一样。虽然协作机器人(cobots)已经被部署在工业生产线上，但真正涉及机器人和人类同行的手拉手团队合作仍有一段路要走。问题在于人类同事的物理接近性，他们的行为——不像机器人的行为——不遵循可预测的算法。一个人类工作者可能会变得疲劳或分心，结果可能会突然行动，甚至不合逻辑。这对安全有着明显的影响，也解释了为什么目前生产线上使用的机械臂经常被放在笼子里。对任何靠得太近的人来说，事情都会变得危险。通常，工业机器人是大型重型机器。但它们也很强大、快速、敏捷，用于各种操作，如焊接、组装、喷漆、堆叠和提升。然而，它们执行的动作完全由控制它们的程序决定。如果有人挡路或靠得太近，后果可能会很严重。
萨尔州大学的团队和萨尔布吕肯的机电一体化和自动化技术中心(ZeMA)正在研究新型智能机器人手臂。Seelecke解释说:“我们的技术基于智能聚合物系统，使我们能够创造出新型的软机器人工具，与目前使用的刚性部件相比，这些工具更轻、更易操作、更灵活。来自未来机器人手臂的意外推挤更像是被人类同事推着走(不太可能让你住院)。
这些新型柔软机器人手臂所用的材料是一种特殊的聚合物，被称为“电介质弹性体”。萨尔布吕肯的研究人员正在使用这种复合材料制造人工肌肉和神经。介电弹性体的特殊性质使得开发由自然界中的巧妙设计所激发的系统成为可能。这些弹性体可以被压缩，但随后可以被拉伸以恢复其原始形状。“我们在弹性体材料的两面印刷电极。当我们施加电压时，两个电极相互吸引，压缩聚合物并使其向侧面膨胀，”基于自适应聚合物系统的初级教授里兹洛博士说。这位意大利研究科学家自2016年以来一直在塞莱克的团队中工作。弹性体因此可以收缩和放松，就像肌肉组织一样。“我们在设计致动器时利用了这一特性，”里兹洛解释道。通过精确改变电场，工程师可以使弹性体执行高频振动或连续可变的挠曲运动，甚至保持静止在特定的期望中间位置。
然后，研究人员将大量这些小“肌肉”结合起来，创造出一个灵活的机器人手臂。当以这种方式组合在一起形成机器人触手时，肌肉之间的相互作用会产生模仿章鱼手臂的运动，章鱼手臂可以向各个方向扭动和转动。与目前使用的笨重、僵硬的机器人肢体不同，它们和人类一样，只能在某些方向上执行运动，这些新的机器人触角几乎可以在任何方向上自由移动。里兹洛和他的博士生约翰尼斯·普雷希特最近在2021年RoboSoft会议上获得了最佳论文奖，因为他们开发了一种基于介电弹性体的触须原型——这只是塞莱克克教授的研究团队获得的众多荣誉之一。该团队希望触手原型能在大约一年的时间内完全开发出来。
说到将智能传递到聚合材料中，里兹洛算是个专家。他为控制单元(即机器人的“大脑”)提供以智能方式移动手臂所需的输入——这是一项高度复杂且雄心勃勃的任务。“这些系统比现在使用的机械臂要复杂得多。使用人工智能来控制基于聚合物的组件比控制conv传统的机电系统更具挑战性，”里泽洛解释道。由于弹性体肌肉也具有传感器特性，它们可以充当系统的神经，这意味着机械臂不需要配备额外的传感器。“弹性体的每一次变形，其几何形状的每一次变化都会导致材料电容的变化，这使得团队能够为弹性体的任何特定变形分配精确的电容值。通过测量电容，我们确切地知道弹性体采用了什么形状，这使我们能够提取传感器数据，”里泽洛解释道。
然后，该定量数据可用于精确建模和编程弹性体臂的运动。里兹洛研究工作的重点是开发智能算法，训练这些新型机器人触角以所需的方式移动和做出反应。“我们试图揭示是什么物理性质导致了这些聚合物的行为。我们知道的越多，我们就能越精确地设计控制弹性体肌肉的算法，”里兹洛博士说。
萨尔州正在开发的技术将是可扩展的。它可以用来制造医疗器械的微型触角，或者制造工业应用的大型机械臂。但与今天使用的重型机器人手臂不同，由智能弹性体制成的机器人肢体将轻得多。“我们的机器人手臂不需要由电机或液压或气动系统驱动，只需施加电流就可以驱动。弹性体肌肉也可以制成满足特定应用要求的形状。它们消耗很少的电能。取决于电容，流动的电流在微安范围内。这种软机器人技术对未来有巨大的希望，因为它既节能又制造成本低，”塞莱克总结说。
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