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超级人工肌肉研究获进展 可举起重量超过自重80倍

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-11-22  浏览次数:4
  人造肌肉在机器人技术发展中至关重要。其研究始于20世纪40年代,但真正取得进展则是最近十余年,这是由于特殊聚合体材料和智能材料的诞生,例如电活化聚合物EPAs,为研究提供了新的发展契机。



 
  最近热映的《环太平洋》《极乐空间》等美国科幻大片中有个共同的亮点,就是运用光影结合,甚至3D视觉的冲击下,充分演绎“人机合体术”所向披靡、无坚不摧的魄力,令观众对其中的超级机器人叹为观止。
 
  欣赏之余,人们不禁好奇,现在日新月异的科学技术将如何为锻造“大力士”超级机器人铺平道路呢?
 
  人造肌肉获进展
 
  在现实生活中,我们已经能够感受到类似人机合体的初步体验。比如当人们自驾时,能够体会到与汽车、小型汽艇、飞机合二为一的轻松之感;在建筑工地上,起重机将操作员肢体的力量增强了许多倍;心脏起搏器、耳蜗助听器、金属骨骼等也早被植入人体内,辅助加强相关机能。当然,这些与科幻作品中的“人机合体”相比还有着质的差异,但也足以说明“人机合体术”并非空穴来风、无源之水。
 
  人造肌肉在机器人技术发展中至关重要。其研究始于20世纪40年代,但真正取得进展则是最近十余年,这是由于特殊聚合体材料和智能材料的诞生,例如电活化聚合物EPAs,为研究提供了新的发展契机。这些新材料往往具有一些不同凡响的本领,有的可以根据电流变化呈现出各种复杂的状态,如弯曲、延伸、扭动和收缩等,并且其行为非常接近真正的肌肉纤维。
 
  据物理学家组织网近日报道,新加坡国立大学(NUS)工程学院的一个研究团队创建出高效的人工或“机械”肌肉,可以举起超过自身体重80倍的重量,以及能够在其承载负荷时延展至原来长度的5倍。此外,这种新型人造肌肉可以潜在地转换并储存能量,在短时间的充电后帮助机器人激活自身。
 
  显然,这样的发明将为建造超人实力和能力、栩栩如生的机器人夯实基础。
 
  如何突破局限性
 
  目前,无论机器人多么智能化,都会受其肌肉力量的限制,只能够举起自身重量的一半负载,约相当于人类的平均强度(尽管有些人可以举起超过其体重高达3倍的负载)。已知的是人造肌肉在同样的压力下只可以延伸到其原始长度的三倍。而肌肉扩展的程度对于肌肉效率而言是一个有意义的因素,因为这意味着在搬运重物时可以执行更广泛的操作范围。
 
  自2012年7月以来,NUS工程科学计划和土木及环境工程学系的阿德里安博士带领一支多学科研究团队,设计和创建新的超级人工肌肉。他介绍说:“我们的材料模仿人类的肌肉,快速响应的电脉冲以急动的方式移动机器人,而不是慢慢地由以往采用的液压技术驱动作用机制。想像一下,这种人工肌肉在几分之一秒内的反应是柔韧的、可扩展的,犹如一个人的举动。配备了这样肌肉的机器人将能够以更人性化的方式运作,但在力量上却要胜过人类。”
 
  为了实现这一目标,阿德里安及其团队使用可拉伸的聚合物,延展至超过自身原始长度的10倍以上。阿德里安补充说,一个良好的理解基础,在很大程度上是其成功的原因。去年,他们在理论上计算出电脉冲驱动的聚合物肌肉可能有1000%的应变位移,可举起达自身重量500倍的负荷,所以他们在朝着这个方向努力,不管当初这听起来有多么的不可思议。
 
  “绿色”机器人
 
  现有的机器人或机械手臂受到能量限制,只能在电源附近活动。因此,研究人员一直希望能研发出一种能像人类一样自由活动、而且自身可以供应能量的新型装置,即“绿色”机器人。
 
  阿德里安说:“这种新型肌肉,不只是强壮和反应灵敏,其动作能产生一种副产品——能量,当肌肉收缩和扩张时,能够将机械能转化为电能,由于这种材料的性质,它能够将大量能量蓄积于一个小包裹里。计算显示,如果一个由这些软质材料构建成的发电机,一个10公斤的系统能够生产出相当于1吨电涡轮的能量。”
 
  这意味着,所产生的能量可能会导致机器人在短时间内充电后自供电,耗时预计不到一分钟。
 
  阿德里安说:“未来仍然要在研究中加强这种肌肉,希望在三到五年内能够做出一个机械臂,大约是人类手臂的一半尺寸和重量,能够与人类角力,并且赢得胜利。”
 
  2013年6月,在瑞士苏黎世举行的第三届机电活性聚合物传感器和人工肌肉国际会议上,由于阿德里安的贡献,他被授予“前途远大的国际研究员奖”。
 
  完成不可能之任务
 
  人造肌肉的服务对象不仅仅是人类本身。研究人员介绍,人造肌肉还能成为机器人、飞机、海洋舰队等的帮手。
 
  阿德里安说:“想想当起重机配备上这样的肌肉,将会如何高效地工作。”该研究小组计划进一步与来自材料科学、机械工程、电子与计算机工程以及生物工程的研究人员一起,创建在功能和外观上都更酷似人类的机器人及其四肢。
 
  强大的人造肌肉不仅可以用于机器人,还有多种用途。按照研究人员的设想,仿生肌肉研制成功后,将能完成人类和机器人各自无法独立做到的事情。它能像人类一样到处行动;像自然手臂一样灵活运用;“绑”在“外骨骼”上,使消防员、士兵和宇航员等特殊行业的人拥有超人般的力量。有了它,也许消防员就可用一只手撑起倒塌的建筑材料,而战场上的士兵也可以变成不知疲倦的“超人”。
 
  随着一系列研究探索推动人造肌肉技术的不断革新,相信“大力士”超级机器人正在向我们走来。
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