基于新材料组合的稳定高效的机器人人造肌肉

执行器将电能转化为运动或力，在日常生活中发挥着关键作用，尽管经常被忽视。尤其是基于软材料的执行器，由于其重量轻、运行安静和可生物降解性，近年来引起了科学界的关注。创建软执行器的一种简单方法涉及采用多材料结构，例如由充满油并涂有导电塑料的柔性塑料薄膜制成的“口袋”。当受到电激活时，薄膜会排出液体并收缩口袋，类似于生物肌肉。该系统可用于构建机器人的人造肌肉、可调节光学器件或触觉表面。然而，到目前为止，持续的电激活只能实现短期的肌肉收缩，这对实际应用造成了很大的限制。

来自 Scuola Superiore Sant'Anna 的研究员 Ion-Dan Sîrbu 曾是特伦托大学的博士生，在 Giacomo Moretti 和 Marco Fontana 的指导下，在林茨约翰开普勒大学的研究期间开始研究这一现象。Ion-Dan Sîrbu 与奥地利研究小组一起开发了一种系统，可以在这些执行器中进行精确的力测量。“在我对常见材料组合的研究过程中，”Ion-Dan Sîrbu 解释道，“我还尝试了一种塑料薄膜，博士生 David Preninger 在他的可生物降解人造肌肉研究中使用了这种薄膜。当我们注意到这种材料可以在任意长时间内维持恒定的力，我们意识到我们已经做出了重大发现。”

从那时起，该团队开始研究理论模型并进行深入的材料表征。很明显，可以使用简单的模型准确地描述关键的实验结果。“我们模型的优点在于它的简单性，并且它不仅限于现有的执行器。我们相信我们的结果将为科学界提供一个简单而强大的工具来设计和研究新系统，”共同第一作者 David Preninger 说该论文的作者和约翰开普勒大学软物质物理系的博士生描述了最近在《自然电子学》上发表的研究。“有趣的是，我们不仅使这项技术更加实用，而且我们的研究还能够识别材料组合，从而将能耗降低数千倍”Kaltenbrunner 教授补充道。

利用已确定的材料组合，科学家们成功开发并操作了各种类型的人造肌肉、可变梯度光学器件和触觉显示器。丰塔纳教授强调：“了解本研究建立的软执行器的基本机制有可能在陆地、海洋和太空探索的辅助设备、自动机器和移动机器人领域取得重大飞跃。所有这些领域正在寻找低成本、高性能的解决方案，这些解决方案还应能够确保低消耗和环境影响，以实现可持续发展。”