哈佛大學、MIT 聯合研製柔性人造肌肉，能舉起自身 1,000 倍重的物品

柔性機器人技術在過去 10 年內取得了突飛猛進的進展。世界各地的研究人員都試驗過不同的材料和設計，進而讓剛性的機器人以更自然的方式彎曲和與人類進行互動。然而，增強機器人的靈活性往往意味著在力量上的妥協，因為較柔軟的材料一般不如剛性材料具有較高的強度，這也限制了柔性機器人的使用。

而現在，哈佛大學 Wyss 研究所和麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）的研究人員已經聯合研發出了新型的機器人人造肌肉（見下面的影片），這種人造肌肉受摺紙結構啟發，能僅憑水和空氣讓柔性機器舉起高達自身重量 1,000 倍的物體。這項研究將在於本週的《美國科學院學報》（PNAS）上發表。

▲ 受高強度摺紙結構啟發的人造肌肉，可以定製成任何形狀，並舉起超過自身重量 1,000 倍的物品。（來源：哈佛大學 Wyss 研究所）

「我們對執行器（俗稱『肌肉』）的強大程度感到非常驚訝。我們預計他們會比普通的柔性機器人能舉起更高重量，但是我們沒有預料到會增加 1,000 倍。就像給這些機器人超能力一樣。」本研究論文的作者之一、MIT CSAIL 主任 Daniela Rus 教授說。

論文的通訊作者、哈佛大學 Wyss 研究所的 Rob Wood 博士補充解釋，人造肌肉執行器是所有工程中最重要的挑戰之一。「現在我們已經製造出了類似於天然肌肉的執行器，我們可以想像，很快就可以設計出幾乎能完成任何任務的機器人了。」

這種人造肌肉由一個內部「骨架」組成，骨架的材料由金屬線圈、摺疊成特定圖案的塑膠片或各種材料製成，由空氣或液體包圍，並密封在如同「皮膚」包裹的塑膠或紡織袋內。透過改變袋子內部的真空狀態，使皮膚塌陷到骨骼上而引起肌肉的運動，進而產生驅動運動的張力。令人難以置信的是，這當中不需要其他電力或人力來指導肌肉的運動，運動完全取決於骨架的形狀和組成。

「這些肌肉的不同之處在於它們是可編程的，就是說設計骨架摺疊、如何定義整個結構、如何移動。」論文的第一作者、Wyss 研究所和麻省理工學院 CSAIL 的聯合博士後李曙光（音譯）說：「從本質上講，你可以不受限制地構建各種運動方式而不需要控制系統。」這種方法使得肌肉非常緊湊和簡單，因而也更適合於不能搭載大型或重型器械的移動式或身體式系統。

「在創造機器人的時候，我們總是要問：『智慧體現在哪裡？是身體還是大腦？』」Rus 教授說。「將智慧集成到機器人體內（註：Rus 教授指在其執行器上透過特定的摺疊模式）有可能簡化機器人實現目標所需的演算法。這些執行器都具有相同的簡單開關，可以使得他們的身體轉化為各種各樣的運動。」

▲ 人造肌肉骨架的結構幾何決定了肌肉的運動方式。（Source：哈佛大學李曙光 / Wyss 研究所）

人造肌肉不僅可以實現多種方式的移動，而且其彈性也讓人印象深刻。它們每單位面積產生的能量可以比哺乳動物骨骼肌產生的力量大 6 倍左右，而且也非常輕便，2.6 克肌肉可以舉起一個 3 公斤的物體，這相當於一隻野鴨舉起了一輛汽車。此外這一技術也很方便易用，實驗室人員可以在 10 分鐘內使用價格低於 1 美元的材料構建單個肌肉，使得它們易於測試和疊代。

這些肌肉可以由真空驅動，這使得它們比大多數其他目前正在測試的人造肌肉更安全。「柔性機器人的許多應用都是以人為中心的，所以當然重要的是要考慮到安全性，」Wyss 研究所的論文和研究工程師的合著者 Daniel Vogt 說。「這種真空人造肌肉不容易破裂，失敗和損傷的風險也較低，而且在操作時不會膨脹，因此可以將它們整合到與人體更貼合的機器人上。」

除了類似於肌肉的屬性，這些柔性驅動器還具有高度的可擴展性。Wood 博士稱，目前該團隊已經製造出從幾毫米到一米大小不等的人造肌肉，而它們的性能在各方面都是一樣的。這也意味著這種人造肌肉可以用於多種尺度的多種應用，如微型手術器械、可穿戴機器人外骨骼、可變形結構、用於研究或建造的深海操縱器、以及用於太空探索的大型可展開結構等。

該團隊還更進一步從水溶性聚合物 PVA 中構建出人造肌肉，進而使得讓使用這種人造肌肉的機器人可以在自然環境中以最小的環境影響執行任務（例如可移動到身體特定位置的可攝入機器人，然後在那裡溶解並釋放一種藥物）。「這當中存在無限的可能性，我想用這些肌肉構建的下一個東西是一個大象機器人，它能夠像真實的大象那樣靈活和強大。」Rus 教授笑稱。

本研究由國防高級研究院研究計畫局（DARPA）、國家科學基金會（NSF）和 Wyss 生物創新工程研究所資助。