受象鼻启发，哈工大造出柔性机器人

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随着柔性机器人的迅速发展，人们越来越意识到寒冷和僵硬只是我们对机器人的刻板印象。

最近，国际著名杂志 softrobotics发表了哈尔滨工业大学冷劲松教授和马里兰大学诺曼·韦雷教授的联合研究成果。标题为新颖的弯曲和螺旋可伸展/收缩的气动 人造肌肉，灵感来自大象 躯干。

雷锋。com了解到，上述研究团队受象鼻的启发，开发了一种基于气动人工肌肉(pams)的新型柔性机器人。

在这项研究中，“气动人工肌肉”是一个核心要素。

雷锋。com得知气动人工肌肉是一种人工肌肉。人工肌肉，即电活性聚合物，是根据生物学原理，由缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸按一定顺序组成的一种新型智能高分子材料。它可以通过内部结构的变化，在外部电场的作用下拉伸、弯曲、收紧或扩张，这与生物体的肌纤维非常接近。

气动人工肌肉，从字面上讲，是一种由外部压缩空空气驱动的人工肌肉，它具有灵活性、重量轻和绿色的优点。这种材料重量轻(最低只有10克)，但它能提供很大的强度。更恰当的说法是“四两磅”。

事实上，气动人工肌肉由于其类似于生物肌纤维的仿生编织结构和类似于骨骼肌的特性，已经被广泛应用于软仿生机器人、变刚度流体静力骨骼等领域。此外，这些材料在医学、机器人、军事、航空航天、光学等领域发挥着重要作用，具有巨大的商业潜力。

早在20世纪40年代，研究人员就开始研究这个领域。2019年7月，麻省理工学院研究小组还在《科学》杂志上发表了一篇论文，介绍了他们的新型人工肌肉，这种人工肌肉由 两种不同热膨胀系数的聚合物材料制成，即高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体。一旦加热，这种人造肌肉可以自由伸缩，举起比自身重650倍的物体。这项研究还出现在《当代科学》的封面上。

[气动人工肌肉地图来源百度百科]

近年来，许多研究团队受到花瓣、猎鹰、蛇、鸽子、鱼、兔子等的启发，设计出各种形状的柔性机器人。哈尔滨工业大学的研究团队受象鼻的启发，设计了一种新型柔性机器人。

该研究小组指出，气动人工肌肉运动在一定程度上仅限于单轴收缩和拉伸，这也限制了它的发展。

因此，该团队在可伸展/可收缩气动人工肌肉的基础上设计了一种新型的弯曲螺旋可伸展/可收缩气动人工肌肉(he-pams/hc-pams)。

根据该文件，he-pams/hc-pams主要由端部配件、弹性管、编织管和嵌入式柔性框架(如下图所示)组成。

当he-pams/hc-pams膨胀时，它会产生绕轴的弯曲和旋转运动，这将导致致动器的螺旋变形，类似于我们在动物园看到的象鼻的弯曲和旋转运动过程。

拉伸和收缩的区别主要取决于“编织角”——当编织角为54.74度时(见下图一)；Hc-pams的编织角为54.74度(见下图二)。

在此基础上，研究团队通过一个高自由度的柔性臂，探索了he-pams/hc-pams在柔性机器人领域的潜在应用。据研究人员称，hc-pams具有很强的输出和负载能力，而he-pams可以产生更多的变形。

值得一提的是，本研究提出了统一的理论方法，为其他研究者提供了可靠的参考。该团队通过实验和分析建立了气动人工肌肉的广义弯曲行为模型，并在相同的理论框架下研究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性。

据了解，轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉可以广泛应用于各个方向，如软件分类机器人、搜索机器人、生物机器人、运动辅助外骨骼、力反馈可穿戴设备等。

事实上，人工肌肉材料已经成为当今研究的前沿和热点，这与人们越来越关注柔性机器人领域是分不开的。

100年前，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·卡佩克在他的科幻小说中创造了“机器人”一词，其原型是机器人塔(捷克语中的“劳动和艰苦工作”)和机器人尼克(波兰语中的“工人”)。100年后，机器人不再只是僵硬冰冷的机器。柔性机器人正在进入我们的视野，工业柔性机器人和生物柔性机器人是它的两个主要分支。

雷锋。(公开号码:雷锋。com)了解到，柔性机器人的特点包括材料的柔性、出色的环境适应性、超级安全性和良好的人机交互。正如香港科技大学机器人研究所所长、空航空航天工程学院教授王浩在2018年世界机器人大会上所说:

与刚性材料相比，软材料更具互动性。如果新的机器人是由软材料制成的，新的应用领域可能会出现。

然而，为了完美地结合上述特征，仍然存在许多技术问题。目前，研究人员也在寻求突破。例如，中国科学院物理与化学技术研究所研究员、清华大学教授刘晶认为室温液态金属。在柔性机器人领域的应用；麻省理工学院的研究人员使用3d打印和液压驱动来驱动机器人。

尽管柔性机器人领域目前还比较“概念性”，但其应用前景广阔，未来将会带来新的变化。

雷锋。记者从哈尔滨工业大学航天研究所复合材料与结构研究所博士生导师冷劲松教授那里了解到。

[来源百度百科]

冷劲松教授从1992年开始在哈尔滨工业大学从事智能材料系统与结构的研究。他的主要研究兴趣包括智能材料系统和结构系统、光纤传感器、结构健康监测、复合材料结构设计和工艺技术、可变翼飞机、结构振动主动控制、光纤通信和微波光电器件、微机电系统等。

此外，冷劲松教授还担任 国际智能纳米材料杂志的主编，以及《智能材料结构》和《智能材料系统与结构》等国际期刊的副主编。2006年入选教育部新世纪优秀人才计划；2007年，他被选为长江学者，特聘教授；2018年 当选为欧洲科学院物理与工程系欧洲科学院院士。

参考

www.liebertpub/doi/full/10.1089/soro.2019.0079

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