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新型的柔软电激活装置模仿了天然肌肉的膨胀和收缩

2021-08-19 来源:蓬莱农业机械网

新型的柔软电激活装置模仿了天然肌肉的膨胀和收缩

在科罗拉多大学博尔德分校工程中心的地下室,一群研究人员正在努力创造下一代机器人。

他们正在开发由类似于生物系统的柔软材料制成的机器人,而不是您可能想象的金属机器人。

这种软机器人具有适应未来动态环境的能力,非常适合与人类紧密互动,因此具有广阔的应用前景中国机械网okmao.com。

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在该领域中,被称为“软机器人”的一个主要挑战是缺少执行器或“人造肌肉”。能够复制真实事物的多功能性和性能的”。

但是,工程与应用科学学院的Keplinger研究小组现已开发出一种新型的,可模拟自然肌肉膨胀和收缩的电激活装置。这些设备可以用各种低成本的材料制成,能够自我感知其运动并因电损坏而自愈,这代表了软机器人技术的重大进步。

新开发的液压放大自修复静电(HASEL)执行器避免了传统机器人的笨重,刚性的活塞和电机,而采用了柔软的结构,这些结构可在各种运动中对施加的电压做出反应。

这些软设备可以执行各种任务,包括抓取诸如树莓和生鸡蛋之类的精致物体,以及提起重物。HASEL执行器超过或匹配生物肌肉的强度,速度和效率,其多功能性可以为人造机器人和下一代假肢提供人造肌肉。

今天,在《科学和科学机器人》杂志上发表的不同论文中详细介绍了HASEL执行器的三种不同设计。

HASEL执行器可以按比例放大以传递较大的力。这两篇论文的资深作者,机械工程学系助理教授,材料科学与工程计划院士Christoph Keplinger说:“我们从生物肌肉的惊人能力中汲取了灵感。”

“ HASEL促动器协同了软流体促动器和软静电促动器的力量,因此结合了多功能性和性能,这是其他人造肌肉所无法比拟的。就像生物肌肉一样,HASEL促动器可以再现章鱼臂的适应性,蜂鸟的速度和大象的力量。”

《科学》杂志中描述的HASEL装置的一个迭代包括一个充满电绝缘液体(例如低芥酸菜籽油)的甜甜圈形弹性体外壳,并钩接到一对相对的电极上。

当施加电压时,液体被置换并驱动软壳的形状变化。作为一种可能的应用的例子,研究人员将这些致动器中的几个彼此相对放置,并在电激活时实现了抓握效果。当电压关闭时,手柄松开。

HASEL的另一种设计是由一层高度可拉伸的离子导体制成的,这些导体夹着一层液体,并在激活时线性膨胀和收缩,以提起悬浮的加仑水或弯曲保持棒球的机械臂。

除了用作可进行多种运动的液压油外,液体绝缘层的使用还使HASEL执行器能够自电气损坏时自我修复。由高压控制的其他软促动器,也称为介电弹性体促动器,使用了固体绝缘层,该绝缘层会因电气损坏而严重损坏。相反,HASEL执行器的液体绝缘层在受到电损坏后会立即恢复其绝缘性能。这种弹性使研究人员能够可靠地按比例放大设备以施加更大的力。

科罗拉多大学博尔德分校的Keplinger研究小组开发了一种新型的软电激活装置,称为HASEL(液压放大自修复静电)执行器,该执行器在性能和多功能性上都可以模仿天然肌肉。HASEL可以执行细腻的任务,例如抓紧小果实,进行剧烈的活动,例如举起一加仑的水,或者提供爆发力来扔球。

此外,由HASEL驱动的软机器人可以自我感知自己的位置,以高速操作,并可以免受损坏。HASEL执行器的多功能性可设计出具有不可思议功能(例如高光学透明度)的人造肌肉。

Keplinger小组的博士生Eric Acome说:“能够以每秒数次的速度提起一加仑水的电动软执行器的能力是我们以前从未见过的。这些演示表明了HASEL令人兴奋的潜力。”科学论文的主要作者。“操作所需的高电压是向前发展的挑战。但是,我们已经在努力解决该问题,并且已经在实验室中设计出了能够以本文所用电压的五分之一工作的设备。”

HASEL执行器还可以感应环境输入,就像人类的肌肉和神经一样。这些致动器中的电极和电介质组合形成电容器。该电容随设备的伸展而变化,可用于确定执行器的应变。研究人员将HASEL执行器连接到机械臂上,并展示了在感应位置的同时为臂供电的能力。

第三种设计在《科学机器人》中有详细介绍,被称为Peano-HASEL执行器,它由三个装满液体的矩形小袋组成,这些小袋串联在一起。

聚合物外壳由与薯片袋相同的低成本材料制成,并且薄,透明且柔软。Peano-HASEL设备在施加电压时会收缩,就像生物肌肉一样,这使得它们对于机器人应用特别有吸引力。它们的电动运动允许以超过人体肌肉的速度进行操作。

HASEL技术的多功能性和简便性使其现在和将来都可以广泛应用于工业领域。

“即使到现在,我们也能以大约10美分的价格制造这些设备,”尼古拉斯·凯拉里斯(Nicholas Kellaris)也是开普林格小组的博士研究生,也是《科学机器人》研究的主要作者。这些材料是低成本,可扩展的,并且与当前的工业制造技术兼容。”

未来的研究将试图进一步优化材料,几何形状并探索先进的制造技术,以便继续改进HASEL平台并迅速实现实际应用。

研究人员已获得该技术的专利,目前正在CU Boulder技术转让办公室的协助下探索商业机会。

CU Boulder工程与应用科学学院院长Bobby Braun说:“来自Keplinger博士实验室的研究令人震惊。” “他和他的学生团队正在帮助创造可用于改善人们生活和福祉的灵活,更人性化的机器人的未来。这一研究领域是我们学院的核心,跨学科力量。”