开创性的可持续软机器人：可生物降解的人造肌肉，打造绿色未来

来自德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所 (MPI-IS)、奥地利林茨约翰开普勒大学 (JKU) 和美国博尔德科罗拉多大学 (CU Boulder) 的国际研究团队将可持续性带到了软机器人技术的最前沿。

他们共同开发了一种由明胶、油和生物塑料制成的完全可生物降解的高性能人造肌肉。 科学家们通过使用它来驱动机器人夹具，展示了这项创新技术的潜力，特别有利于废物收集等一次性应用。 这些人造肌肉可以丢弃在市政堆肥箱中，并在监测条件下在六个月内完全生物降解。

Ellen Rumley，科罗拉多大学博尔德分校的访问科学家，在 MPI-IS 的机器人材料部门工作，也是该论文的共同第一作者 纸，强调了可持续材料在软机器人技术中的重要性：

“可生物降解的部件可以提供可持续的解决方案，特别是对于一次性应用，例如医疗操作、搜索和救援任务以及危险物质的操作。 未来的机器人不会在产品寿命结束时堆积在垃圾填埋场，而是可以成为未来植物生长的堆肥。”

开发可生物降解的 HASEL 人造肌肉

研究人员创造了一种电动人造肌肉，称为 HASEL（液压放大自愈静电致动器）。 HASEL 是充满油的塑料袋，部分被一对称为电极的电导体覆盖。 当在电极对上施加高电压时，相反的电荷会积聚，产生将油推到袋子的无电极区域的力。 这种油迁移导致造口袋收缩，类似于真正的肌肉。 为了使 HASEL 变形，塑料袋和油所用的材料必须是电绝缘体，能够承受带电电极产生的高电应力。

一个关键的挑战是开发一种导电、柔软且完全可生物降解的电极。 JKU 的研究人员使用生物聚合物明胶和盐的混合物创建了一种配方，可以直接浇注到 HASEL 执行器上。

该项目的共同第一作者、约翰肯尼迪大学软物质物理部门的科学家 David Preninger 解释道：

“对我们来说，制造适合这些高性能应用的电极非常重要，但要具有现成的组件和易于实现的制造策略。”

 

电气性能和可生物降解塑料

下一个障碍是确定合适的可生物降解塑料。 工程师通常会优先考虑降解率和机械强度等因素，而不是电气绝缘，这是对在数千伏电压下运行的 HASEL 的要求。 然而，某些生物塑料表现出与明胶电极良好的材料相容性和足够的电绝缘性。

一种特定的材料组合使 HASEL 能够承受数千伏电压下的 100,000 次驱动周期，而不会出现电气故障或性能损失。 这些可生物降解的人造肌肉在机电方面与不可生物降解的人造肌肉相比具有竞争力，从而促进了人造肌肉技术的可持续性。

Ellen Rumley 详细阐述了他们研究的影响：

“通过展示这种新材料系统的出色性能，我们正在激励机器人界将可生物降解材料视为构建机器人的可行材料选择。 事实上，我们利用生物塑料取得了如此巨大的成果，希望也能激励其他材料科学家创造出具有优化电气性能的新材料。”

未来的前景和应用

可生物降解人造肌肉的发展为机器人技术的未来打开了新的大门。 通过将可持续材料融入机器人技术，科学家可以减少机器人对环境的影响，特别是在一次性设备盛行的应用中。 这项研究的成功为探索更多可生物降解的部件和设计完全环保的机器人铺平了道路。

可生物降解软机器人的潜在应用超出了废物收集和医疗操作。 这些机器人可用于环境监测、农业，甚至消费电子产品，减轻垃圾填埋场的负担，为循环经济做出贡献。

随着研究的继续，该团队计划进一步完善用于制造可生物降解的人造肌肉的材料和工艺。 通过与材料科学和机器人技术的其他专家合作，他们的目标是开发新技术，推动可持续软机器人领域的发展。 研究人员希望鼓励各行业采用可生物降解材料，从而促进更加环保的技术开发方式。

这个国际研究团队的开创性工作代表了软机器人技术朝着更可持续的未来迈出的重要一步。 通过展示可生物降解人造肌肉的可行性和性能，他们为绿色技术的进一步进步铺平了道路，并激励机器人社区考虑其创造的可持续替代方案。