{科研}哈佛大学开发出人造肌肉，成就“柔性机器人”

2016年7月28日——像好莱坞大片《大英雄6》中的机器人“大白”一样，“软机器人”有很多优点。但是灵活的机器人经常有一个问题——它们太慢了！

控制和驱动“柔性”机器人执行各种预定动作的人造肌肉被称为执行器。现有的执行器通常由液压或气压驱动，存在响应慢、储能困难的缺点。

介电弹性体作为一种具有良好绝缘性能的柔性材料，可以替代气动执行器。然而，现有的介电弹性体需要复杂和低效的电路来为它们提供高压和刚性部件来保持它们的形状——这两者都违背了柔性机器人的初衷。

目前，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(seas)的研究人员开发了一种新型介电弹性体，并在《先进材料》杂志上发表了他们的研究成果。

这种新材料只需要很低的电压支持，不需要刚性部件就能实现大范围的运动。

“我们认为这种材料有潜力成为制造柔性机器人的理想材料，”该论文的第一作者、海洋研究生米休杜塔说。“电很容易储存和传输，但以前的问题是驱动柔性机器人执行器所需的电场太强。我们的研究通过降低驱动电压、增加能量密度和去除刚性部件，成功地解决了柔性致动器领域的许多问题。”

杜的合著者还包括哈佛大学工程与应用科学学院教授罗伯特·伍德和材料科学教授大卫·克拉克。在新介电弹性体的研究和开发过程中，Dututa的团队将两种单独使用时性能良好的现有材料结合在一起。一种是基于加州大学洛杉矶分校研发的无刚性结构的弹性体，另一种是克拉克实验室(Clark Laboratories)开发的碳纳米管电极。这两种材料的特性是互补的，这使得这种新材料的性能优于传统的介电弹性体致动器。

以前，大多数介电弹性体的运动范围有限，需要预拉伸并连接到刚性框架上。基于美国加州大学洛杉矶分校开发的不需要预拉伸的弹性体，这种优化的新材料最初是液态的，可以在紫外光下快速固化，制成纸张等薄片。这些薄片像双面胶带一样粘，所以它们不仅可以很好地相互附着，而且允许电极附着在它们上面。

在电极方面，Dututa的团队用一薄层碳纳米管取代了传统介电弹性体中用作电极的碳油脂。因为纳米管既不能增加弹性体的硬度，也不能降低能量密度，所以它既能保证弹性体的延展性，又能为其提供强大的动力。

该团队将这些弹性体堆叠在一起，制成多层夹层结构，弹性体-电极-弹性体不断交替。因此，每层电极都可以对上下弹性体起到双向驱动作用。

关于新材料的意义，杜图塔解释说，“驱动电介质弹性体的电压与材料的厚度直接相关。因此，为了降低电压，需要使电介质弹性体尽可能薄，但是太薄的弹性体是脆弱的，不能产生足够的力。”

此外，该论文的合著者之一克拉克也指出，“我们工作的意义在于，通过两种材料的组合和加工，突破了目前介质弹性材料的两个技术难题——即高电压和预拉伸的需求。”

Dututa指出，他们开发的新致动器可用于制造可穿戴设备、柔性夹具、手术工具、柔性机器人和机器人的其他柔性部件。

该论文的另一位合著者伍德指出，“驾驶技术是机器人技术面临的最大挑战之一。”伍德说，现有的机器人大多依靠传统的电磁旋转电机。当这种电机无法使用时，比如柔性机器人，几乎没有其他高性能驱动技术可以替代。

这一次，电控柔性执行器研究的突破，让我们离工程系统中仿生肌肉执行器的出现又近了一步，也为柔性机器人打开了实用之门。