研究人员一直在寻找提高行走 机器人 的灵活性、性能和效率的新方法。大多数时候，重点都集中在 电机改进 上。但苏黎世联邦理工学院和马克斯·普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 的一个团队正在专注于一种替代方法——受动物生物学和人类解剖学启发的、由静电供能的人工肌肉。
在过去几年里，得益于 电机技术 和 人工智能 的设计进步，两足和四足 机器人 已经变得 相当灵活。然而，对它们中的许多机器人来说，能源需求和成本仍然是一个主要障碍，尤其是在需要解释大量环境传感器数据的 AI 系统方面。
为了规避这些问题，新的合作伙伴关系——马克斯·普朗克苏黎世联邦理工学院学习系统中心 (CLS) 的合作者们正试图在不使用直流电机或高性能人工智能程序的情况下模仿肢体的伸肌和屈肌。新设计采用的是油填充的塑料袋，看起来像日常的冷冻包装袋，而不是机动部件。正如 9 月 9 日发表在《 自然通讯 》杂志上的一篇论文所述，该团队新开发的液压放大、自愈合、静电驱动器 (HASEL) 使原型“腿”能够轻松地跨越不平坦的地形，同时快速适应，而且产生的热量远少于传统的电机驱动选项。
为了实现这一功能，由四个独立的导电油填充袋组成的两个“肌肉”，两侧各部分覆盖有电极片。然后，这些肌肉通过人造肌腱连接到一个轻质碳纤维骨架上，该骨架具有 3D 打印的膝盖和臀部关节。然后，当准备跳跃时，团队就开始通电。
“一旦我们给电极施加电压，它们就会因为静电而互相吸引，”博士生兼该研究的联合第一作者 Thomas Buchner 在 9 月 9 日苏黎世联邦理工学院的 相关声明 中说。
Buchner 将这种电荷比作将气球在头上摩擦时发生的现象，导致头发粘在气球上。随着电压的增加，电极会收缩得更近，将袋子里的油推到一边，从而缩短其整体形状。就像在动物或人类的腿中一样，一个肌肉收缩时，其合作伙伴就会伸长。
肌肉尺寸和形状的这种精确、快速的变化对于成功地在环境中移动至关重要。为了确定处理下方地形所需的合适电压，机器人腿依赖于专门设计的计算机代码来解释两个输入信号——一个用于伸展关节，另一个用于弯曲关节。每次跳跃后，腿部的关节都会根据下方表面的硬度或塑性调整到合适的角度。
“适应地形是关键方面。当一个人跳到空中着陆时，他们不需要提前考虑是应该将膝盖弯曲到 90 度还是 70 度，”另一位博士生兼联合第一作者 Toshihiko Fukushima 周一表示。
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相对简单的传感器和计算机代码的结合也意味着该团队的机器人腿比现有的电机驱动系统更具能源效率。尤其是在不必要的发热方面。通过热成像，直流电机驱动的腿部线路产生的温度接近 100 华氏度。而 HASEL 设计几乎没有产生多余的热量。与使用直流电机的对照腿相比，HASEL 驱动的肢体能耗仅为电机驱动的电磁设计的 1.2%。根据 Fukushima 的说法，这意味着他们的系统不需要与电机驱动机器人相同的热管理工具，例如散热器或风扇。
不过，目前，这款由肌肉驱动的肢体仍需要固定在其小型圆形轨道上。尽管在团队能够测试独立版本之前还需要进行大量工作和改进，但研究人员相信，这种能源效率高且设计简化的系统有一天可能会应用到四足和双足机器人上，其性能可以与当今的电机驱动机器媲美，甚至超越。
