2024-04-10 14:50 来源：得道网
我们的肌肉是大自然完美的致动器——将能量转化为运动的装置。就其大小而言，肌肉纤维比大多数合成致动器更强大、更精确。它们甚至可以从损伤中愈合，并通过锻炼变得更强壮。
由于这些原因，工程师们正在探索用天然肌肉为机器人提供动力的方法。他们已经展示了一些“生物混合”机器人，这些机器人使用基于肌肉的驱动器来驱动能够行走、游泳、抽水和抓握的人造骨骼。但对于每一个机器人，都有非常不同的构造，对于任何给定的机器人设计，如何最大限度地利用肌肉，都没有通用的蓝图。
现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种类似弹簧的装置，它可以作为几乎所有肌肉机器人的基本骨骼模块。新的弹簧，或“弯曲”，是为了让任何附加的肌肉组织得到最大的工作。就像腿部按压需要恰到好处的重量一样，该设备最大限度地提高了肌肉自然产生的运动量。
研究人员发现，当他们在设备上安装一圈肌肉组织时，就像橡皮筋绕在两个柱子上一样，肌肉会可靠地、反复地拉动弹簧，与之前的其他设备设计相比，它的拉伸程度增加了五倍。
该团队将柔性设计视为一种新的构建模块，可以与其他柔性相结合，构建任何配置的人造骨架。然后，工程师们可以在骨骼上安装肌肉组织，为它们的运动提供动力。
麻省理工学院工程设计专业的英国和亚历克斯·达贝洛夫职业发展教授里图·拉曼说:“这些弯曲就像一个骨架，人们现在可以用它来将肌肉驱动以一种非常可预测的方式转变为多个自由度的运动。”“我们正在为机器人专家提供一套新的规则，以制造强大而精确的肌肉驱动机器人，让它们做有趣的事情。”
拉曼和她的同事在《高级智能系统》杂志上发表的一篇论文中报告了这种新型柔性设计的细节。该研究的共同作者包括Naomi Lynch, 12岁，SM '23;本科生塔拉·希恩;研究生尼古拉斯·卡斯特罗、劳拉·罗萨多和布兰登·里奥斯;以及机械工程教授马丁·卡尔佩珀。
肌肉拉
在有利的条件下单独放在培养皿中，肌肉组织会自行收缩，但收缩的方向并不完全可预测，也没有多大用处。
拉曼说:“如果肌肉没有附着在任何东西上，它会移动很多，但有很大的可变性，它只是在液体中乱晃。”
为了让肌肉像机械驱动器一样工作，工程师通常会在两个小而灵活的柱子之间附着一束肌肉组织。当肌肉带自然收缩时，它可以弯曲柱子并将它们拉在一起，产生一些运动，理想地为机器人骨骼的一部分提供动力。但在这些设计中，肌肉产生的运动有限，主要是因为组织在接触柱子的方式上变化很大。根据肌肉放置在柱子上的位置，以及肌肉表面接触柱子的程度，肌肉可能会成功地将柱子拉在一起，但在其他时候可能会以无法控制的方式摇摆。
拉曼的研究小组希望设计出一种骨骼，无论肌肉在骨骼上的位置和方式如何，它都能集中并最大化肌肉的收缩，以一种可预测、可靠的方式产生最大的运动。
“问题是:我们如何设计一个骨骼，最有效地利用肌肉产生的力量?”拉曼说。
研究人员首先考虑了肌肉自然运动的多个方向。他们推断，如果一块肌肉要把两个柱子沿着一个特定的方向拉在一起，那么这些柱子应该连接到一个弹簧上，这个弹簧只允许它们在被拉的时候朝那个方向移动。
拉曼说:“我们需要一种在一个方向上非常柔软和灵活，而在所有其他方向上都非常僵硬的装置，这样当肌肉收缩时，所有的力都能有效地转化为一个方向的运动。”
软flex
事实证明，拉曼在马丁·卡尔佩珀教授的实验室里发现了许多这样的装置。卡尔佩珀在麻省理工学院的团队专门设计和制造机器元件，如微型致动器、轴承和其他机构，这些元件可以内置到机器和系统中，以实现超精密的运动、测量和控制，适用于各种各样的应用。在该团队的精密机械元件中，有一种是柔性元件——一种类似弹簧的装置，通常由平行梁制成，可以以纳米级的精度弯曲和拉伸。
拉曼说:“根据光束的细度和间距，你可以改变弹簧的硬度。”
她和卡尔佩珀合作设计了一种特别定制的柔韧性，其结构和刚度使肌肉组织能够自然收缩并最大限度地拉伸弹簧。该团队根据他们进行的大量计算来设计设备的配置和尺寸，这些计算将肌肉的自然力量与屈曲刚度和运动程度联系起来。
他们最终设计的屈曲度是肌肉组织本身刚度的1/100。这个装置类似于一个微型的手风琴结构，它的四个角被一个小柱子固定在一个底层的底座上，这个小柱子靠近一个直接安装在底座上的相邻柱子。然后，拉曼在两个角柱周围缠绕了一束肌肉(研究小组用从老鼠细胞中生长出来的活肌肉纤维塑造了这束肌肉)，并测量了肌肉束收缩时两根柱子之间的距离。
研究小组发现，弯曲的结构使肌肉束主要沿着两根柱子之间的方向收缩。与之前的肌肉致动器设计相比，这种集中的收缩使肌肉将柱子拉得更近——距离是前者的五倍。
拉曼说:“我们设计的柔性骨架在一个方向上非常柔软和灵活，而在所有其他方向上都非常僵硬。”“当肌肉收缩时，所有的力都转换成那个方向的运动。这是一个巨大的放大。”
研究小组发现，他们可以使用该设备精确测量肌肉表现和耐力。当他们改变肌肉收缩的频率时(例如，刺激肌肉束每秒收缩一次，而不是每秒收缩四次)，他们观察到肌肉在更高的频率下“变得疲劳”，并且没有产生那么多的拉力。
拉曼说:“看看我们的肌肉疲劳有多快，以及我们如何锻炼它们以获得高耐力的反应——这就是我们可以用这个平台发现的东西。”
研究人员现在正在调整和结合柔性，以制造精确、铰接和可靠的机器人，由天然肌肉提供动力。
拉曼说:“我们试图在未来制造的机器人的一个例子是可以在体内进行微创手术的手术机器人。”“从技术上讲，肌肉可以驱动任何大小的机器人，但我们对制造小型机器人特别兴奋，因为这是生物致动器在强度、效率和适应性方面的优势。”
