MIT工程师另辟蹊径用弹簧为生物混合机器人构建骨骼模块，可最大限度发挥肌纤维作用
肌肉是大自然亲手打造的全能执行器，可将能量转化为运动。
肌纤维是肌肉的基本单位，体积虽小但能效高、适应性强且精确度超过许多人工致动器,就像个永不停歇的小马达。更厉害的是，它还具有自我修复能力，在受损后能自行恢复，并可通过适当锻炼增强。
这些神奇特性，让科学家们眼睛一亮！
由此激发了科学家们利用天然肌肉为机器人提供动力的浓厚兴趣。试想，如果机器人能够拥有肌肉一般的致动器，那将是多么令人振奋的景象！
因此，工程师一直在探索利用天然肌肉为机器人提供动力的方法。
现有的一些生物混合机器人，使用肌肉致动器为人造骨骼提供动力，也可实现行走、游泳、泵动和抓握。但迄今并没有高效且通用的相关装置。
并且肌肉组织虽然强大，但其收缩方向却难以预测和控制。传统方法尝试将肌肉束直接连接在两个柔性柱之间，但这种方式由于肌肉与柔性柱的接触多变，运动效率不高且难以精确控制。
近日，美国麻省理工学院（MIT）工程师团队另辟蹊径，他们设想了一种能够集中和放大肌肉力量的装置。该装置一方向柔韧，其余方向坚硬，可以集中并放大肌肉力量，实现力量向单一方向的高效转化。
这种类似弹簧的设备可用作几乎所有肌肉型机器人的基本骨架模块。该“弯曲弹簧”旨在充分利用任何附着的肌肉组织，可最大限度提高肌肉自然产生的运动量。
论文信息：Naomi Lynch et al, Enhancing and Decoding the Performance of Muscle Actuators with Flexures, Advanced Intelligent Systems (2024). DOI: 10.1002/aisy.202300834
柔性弯曲：肌肉力量的放大器
MIT研究团队设计了一种特制的弯曲部件，这个部件的特点是其配置和刚度能够使得肌肉组织在其作用下自然收缩，并且能够有效地拉伸弹簧。为了设计这个部件，团队综合考虑了肌肉的自然力量、部件的弯曲刚度以及期望的运动范围，并通过大量的计算来精确确定设备的配置参数和尺寸。
据工程师介绍，这个装置的结构有点类似于微型手风琴，具有一定的弯曲度。值得注意的是，团队设计的这个弯曲度仅为肌肉组织本身刚度的1/100。
为了测试这个装置的实际效果，研究人员使用了从小鼠细胞中培养出的活肌肉纤维来制作肌肉带。他们将这个肌肉带缠绕在设备的两个角柱上，并测量了当肌肉带收缩时，这两个角柱之间拉近的距离。
实验结果显示，由于弯曲部件的特殊配置，肌肉带能够进行可靠且重复的收缩。与之前的肌肉执行器设计相比，新装置的收缩拉伸效果提高了5倍。
这意味着该装置在转化和放大肌肉力量方面表现出了显著的优势，为未来肌肉驱动的机器人或其他生物机械装置提供了更高效的动力传输方案。
从实验室到未来：生物混合机器人时代的曙光
该装置可作为未来肌肉动力机器人的通用“骨架”，展望未来，MIT的研究团队计划进一步调整和组合模块，以构建由天然肌肉驱动的精确、铰接和可靠的机器人。
他们设想的未来应用包括可以在体内执行微创手术的手术机器人、适应复杂环境的搜索和救援机器人，以及能够与人类进行自然交互的协作机器人。
尽管目前这项技术仍处于实验室阶段，商业化应用还需要很长的时间和努力。但是，MIT的这项研究无疑为“生物混合”机器人的发展指明了方向，让我们看到了一个充满无限可能的未来。
