人造肌肉是一項進步的技術(shù)，有朝一日可以使機器人像生物體一樣發(fā)揮作用。這些肌肉為機器人如何塑造我們周圍的世界開辟了新的可能性;從可以在老年時重新定義我們身體能力的輔助可穿戴設(shè)備，到可以在瓦礫中尋找失蹤者的救援機器人。但僅僅因為人造肌肉在使用過程中會產(chǎn)生強烈的社會影響，并不意味著它們在使用后必須留下強烈的環(huán)境影響。

來自斯圖加特(德國)馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所(MPI-IS)、奧地利林茨約翰內(nèi)斯開普勒大學(JKU)和科羅拉多大學(CU Boulder)的國際研究小組現(xiàn)在關(guān)注軟機器人的可持續(xù)性主題。

科學家們合作設(shè)計了一種完全可生物降解的高性能人造肌肉——基于明膠、油和生物塑料。他們展示了這種可生物降解技術(shù)的潛力，使用它來制作機器人抓手的動畫，這在一次性部署中特別有用，例如廢物收集(觀看 Youtube 視頻，見下面的鏈接)。在使用壽命結(jié)束時，這些人造肌肉可以丟棄在市政堆肥箱中;在監(jiān)測條件下，它們在六個月內(nèi)完全生物降解。

“我們看到在軟機器人加速發(fā)展的領(lǐng)域迫切需要可持續(xù)材料?？缮锝到獠考梢蕴峁┛沙掷m(xù)的解決方案，特別是對于一次性應(yīng)用，如醫(yī)療操作、搜救任務(wù)和危險物質(zhì)的操縱。未來的機器人不會在產(chǎn)品壽命結(jié)束時積聚在垃圾填埋場中，而是可以成為未來植物生長的堆肥，“來自CU Boulder的訪問科學家Ellen Rumley說，他在MPI-IS的機器人材料部門工作。

Rumley是論文“用于可持續(xù)軟機器人的可生物降解電液執(zhí)行器”的共同第一作者，該論文將發(fā)表在Science Advances上。

具體來說，研究小組構(gòu)建了一種名為HASEL的電動人造肌肉。從本質(zhì)上講，HASEL是充油塑料袋，部分被一對稱為電極的電導體覆蓋。在電極對上施加高電壓會導致相反的電荷在其上積聚，在它們之間產(chǎn)生力，將油推到袋子的無電極區(qū)域。這種油遷移導致袋子收縮，就像真正的肌肉一樣。

HASEL變形的關(guān)鍵要求是構(gòu)成塑料袋和油的材料是電絕緣體，可以承受帶電電極產(chǎn)生的高電應(yīng)力。

該項目的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)一種導電、柔軟且完全可生物降解的電極。約翰內(nèi)斯開普勒大學的研究人員創(chuàng)建了一個基于生物聚合物明膠和鹽混合物的配方，可以直接澆注到HASEL致動器上。

“對我們來說，重要的是使電極適合這些高性能應(yīng)用，但要具有現(xiàn)成的組件和可訪問的制造策略。由于我們提出的配方可以很容易地集成到各種類型的電驅(qū)動系統(tǒng)中，因此它可以作為未來可生物降解應(yīng)用的基石，“該項目的共同第一作者，JKU軟物質(zhì)物理部門的科學家David Preninger說。

下一步是找到合適的可生物降解塑料。這類材料的工程師主要關(guān)注降解速率或機械強度等特性，而不是電絕緣;對在幾千伏特下運行的 HASEL 的要求。

盡管如此，一些生物塑料顯示出與明膠電極良好的材料相容性和足夠的電絕緣性。由一種特定材料組合制成的 HASEL 甚至能夠在數(shù)千伏特下承受 100，000 次驅(qū)動循環(huán)，而不會出現(xiàn)電氣故障或性能損失的跡象。這些可生物降解的人造肌肉與不可生物降解的人造肌肉在機電上具有競爭力;這是促進人造肌肉技術(shù)可持續(xù)性的令人興奮的結(jié)果。