开创可持续软体机器人：用于更绿色未来的生物降解人工肌肉

来自德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所（MPI-IS）、奥地利林茨约翰内斯·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体机器人的前沿。

他们共同开发了一种完全可生物降解的、高性能人工肌肉，由明胶、油和生物塑料制成。科学家们通过使用这种创新技术来驱动一个机器人抓握器，特别适用于一次性应用，例如废物收集，展示了其潜力。这些人工肌肉可以在市政堆肥箱中处理，并在六个月内在受控条件下完全降解。

来自CU Boulder的访问科学家、MPI-IS机器人材料部门的共同第一作者Ellen Rumley强调了软体机器人中可持续材料的重要性：

“可生物降解的零件可以为一次性应用提供可持续的解决方案，例如医疗操作、搜索和救援任务以及危险物质的处理。与其在产品生命周期结束时积累在垃圾填埋场，未来机器人的零件可以成为未来植物生长的堆肥。”

开发可生物降解的HASEL人工肌肉

研究人员创建了一种电驱动的人工肌肉，称为HASEL（液压放大自愈静电执行器）。HASEL由油填充的塑料袋组成，部分被一对称为电极的电导体覆盖。当电极对之间施加高电压时，会产生对称电荷，产生推动油到袋的无电极区域的力。这种油的迁移导致袋的收缩，类似于真正的肌肉。为了使HASEL变形，用于塑料袋和油的材料必须是电绝缘体，能够承受电极产生的高电应力。

一个关键挑战是开发一种导电、柔软且完全可生物降解的电极。JKU的研究人员使用明胶和盐的混合物创建了一种配方，可以直接铸造到HASEL执行器上。

该项目的共同第一作者、JKU软物质物理学部门的科学家David Preninger解释说：

“对于我们来说，开发适合这些高性能应用的电极至关重要，但同时需要使用容易获得的组件和可访问的制造策略。”

图片来源：马克斯·普朗克研究所

电性能和可生物降解塑料

下一个障碍是找到合适的可生物降解塑料。工程师通常优先考虑降解率和机械强度，而不是电绝缘，这是HASEL的要求，它们在几千伏的电压下运行。然而，一些生物塑料表现出良好的材料兼容性与明胶电极和足够的电绝缘。

一种特定的材料组合使HASEL能够承受100,000次驱动循环，在几千伏的电压下没有电气故障或性能损失。这些可生物降解的人工肌肉在电机性能方面与不可生物降解的对应物竞争，使人工肌肉技术更加可持续。

Ellen Rumley阐述了他们研究的影响：

“通过展示这种新材料系统的卓越性能，我们正在激励机器人社区考虑可生物降解材料作为构建机器人的可行材料选项。我们使用生物塑料取得如此好的结果，也希望能激励其他材料科学家创造具有优化电性能的新材料。”

未来展望和应用

可生物降解人工肌肉的开发为机器人的未来开启了新的门户。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，特别是在单次使用设备普遍的应用中。这种研究的成功为探索更多可生物降解组件和设计完全环保机器人铺平了道路。

可生物降解软体机器人的潜在应用范围不仅限于废物收集和医疗操作。这些机器人可以用于环境监测、农业，甚至消费电子，减少垃圾填埋场的负担，促进循环经济。

随着研究的继续，团队计划进一步改进用于创建可生物降解人工肌肉的材料和工艺。通过与材料科学和机器人领域的其他专家合作，他们旨在开发新的技术，以推动可持续软体机器人的发展。研究人员希望鼓励各个行业采用可生物降解材料，从而促进技术开发中的环保意识。

这一国际研究团队的开创性工作代表着软体机器人朝着更可持续的未来迈出的一步。通过展示可生物降解人工肌肉的可行性和性能，他们正在为绿色技术的进一步发展铺平道路，并激励机器人社区考虑其创造的可持续替代方案。