[智能应用]人工肌肉实现多向弯曲，为软体机器人开辟新路径 [复制链接]

美国麻省理工学院（MIT）的工程师们开发了一种新方法，能够培养出多向协调收缩和弯曲的人工肌肉组织，为软体机器人技术的发展提供了新方向。传统的人工肌肉通常只能沿单一方向收缩，限制了机器人的运动范围。而MIT团队通过一种创新的“压印”技术，成功制造出能够在多个方向上产生力量的人工肌肉。该研究成果最近发表在《生物材料科学》（Biomaterials Science）杂志上。
研究人员使用3D打印技术制作了一个小型手持印章，上面刻有微观凹槽，每个凹槽的大小与单个细胞相当。他们将印章压入柔软的水凝胶中，并在凹槽中植入肌肉细胞。这些细胞沿着凹槽生长，形成纤维。当研究人员刺激这些纤维时，肌肉根据纤维的走向在多方向上收缩，类似于人类眼睛中虹膜的扩张和收缩。
通过这种压印方法，研究人员展示了第一个能够在多个方向上产生力量的骨骼肌驱动机器人。这种技术不仅可以用于培养复杂的肌肉模式，还可以应用于其他类型的生物组织，如神经元和心脏细胞。
研究团队展示了人工虹膜的设计，其肌肉纤维的排列方式与真实虹膜相似。当用光脉冲刺激时，人工虹膜能够在多个方向上收缩，展示了多向肌肉组织的潜力。研究人员指出，虽然团队使用了高精度打印技术，但这种印章设计也可以使用传统的桌面3D打印机制作。
未来，研究人员计划将这种压印方法应用于其他细胞类型，并探索不同的肌肉结构和激活方式，以开发出更具实用价值的软体机器人。

人工肌肉实现多向弯曲：软体机器人的新突破
人工肌肉实现多向弯曲的技术进展
目前已有多种人工肌肉技术在不断发展以实现多向弯曲等功能。如伦敦玛丽女王大学研究人员开发的新型电活性高分子人工肌肉，使用液体硅胶和碳纳米管制成，并涂覆柔软阴极作为传感层。它能感知外力大小和本身形变情况，还可在软硬不同状态间快速切换，这为其实现多向弯曲提供了基础条件，就如同人体肌肉能灵活运动一样，这种人工肌肉可以配合软体机器人做出不同方向的动作。

中国交通大学前沿科技研究院的系统与通信工程研究团队创建的多功能人造肌肉，由涂有PDA和LMPA杆的管状LCE致动器组成。该团队通过在材料表面形成聚多巴胺层引入光热效应，用激光照射人造肌肉的一侧将光转化为热量，引发收缩和弯曲变形。并且他们研究了人造肌肉在不同辐射功率下的温度和应力分布，展示了如何调节弯曲角度、方向和位置的柔性变形，这也实现了人工肌肉在一定程度上的多向弯曲能力。

为软体机器人开辟新路径的体现
运动灵活性提升
传统机器人使用电机或液压装置作为执行动作的“肌肉”，体积笨重且不够灵活。而能多向弯曲的人工肌肉具有轻量柔软的特点，可使软体机器人实现各种敏捷运动，能够像生物一样做出更为复杂和多样化的动作，比如模仿人类手臂的各种弯曲和伸展动作，极大地提升了软体机器人在复杂环境中的适应能力。

应用场景拓展
医疗领域：可穿戴式机器人能够通过人工肌肉感应病人运动，并提供物理治疗所需的肌肉阻力训练。实现多向弯曲的人工肌肉可以更好地模拟人体肌肉的运动方式，为患者提供更精准和个性化的康复训练。例如，在帮助肢体康复的过程中，可以根据患者的具体情况，进行不同方向和角度的辅助运动。
探索领域：在一些复杂的地形环境中，如狭窄的管道、不规则的洞穴等，软体机器人借助能多向弯曲的人工肌肉，可以灵活地改变自身形状和运动方向，进行探索和检测任务，而这是传统刚性机器人难以做到的。
人机协作领域：软体机器人与人类的交互更加安全和自然。能多向弯曲的人工肌肉可以使机器人更好地模仿人类的动作，在与人协作完成任务时，更加贴合人体的运动需求，提高协作效率和质量。
面临的挑战与未来展望
面临挑战
当前人工肌肉技术尚面临材料与性能的各种限制。例如，材料的耐久性、稳定性以及能量转换效率等方面还存在不足。在实现多向弯曲的过程中，可能会出现材料疲劳、响应速度不一致等问题，影响人工肌肉的性能和使用寿命。

未来展望
随着各种新概念和材料的不断涌现，人工肌肉应用的前景非常可期。未来可能会研发出性能更优的材料，进一步提升人工肌肉的多向弯曲能力和整体性能。同时，人工肌肉与其他技术（如传感器技术、人工智能技术）的融合也将更加深入，使软体机器人能够更加智能地感知环境并做出相应的动作，为各个领域带来更多的创新应用。

　　美国麻省理工学院（MIT）的工程师们确实开发了一种新方法，用于培养能够在多个方向上协调收缩和弯曲的人工肌肉组织。这项技术为软体机器人技术的发展提供了新的方向，因为它突破了传统人工肌肉只能沿单一方向收缩的限制。MIT团队通过一种创新的“压印”技术，成功制造出了多向发力的人工肌肉。

　　研究人员利用3D打印技术制作了一个小型手持印章，上面刻有微观凹槽，每个凹槽的大小与单个细胞相当。他们将这个印章压入柔软的水凝胶中，并在凹槽中植入肌肉细胞。这些细胞沿着凹槽生长，形成纤维。当刺激这些纤维时，肌肉会根据纤维的走向在多方向上收缩，类似于人类眼睛中虹膜的扩张和收缩。

　　这项研究成果发表在《生物材料科学》（Biomaterials Science）杂志上，展示了第一个能够在多个方向上产生力量的骨骼肌驱动机器人。这种技术不仅可以用于培养复杂的肌肉模式，还可以应用于其他类型的生物组织，如神经元和心脏细胞。研究团队还展示了人工虹膜的设计，其肌肉纤维的排列方式与真实虹膜相似。当用光脉冲刺激时，人工虹膜能够在多个方向上收缩，展示了多向肌肉组织的潜力。

　　研究人员指出，尽管他们使用了高精度打印技术，但这种印章设计也可以使用传统的桌面3D打印机制作。未来，他们计划将这种压印方法应用于其他细胞类型，并探索不同的肌肉结构和激活方式，以开发出更具实用价值的软体机器人。这项研究不仅推动了软体机器人技术的发展，也为生物医学工程领域带来了新的启示。