可生物降解的人造肌肉在软机器人领域走向绿色

人造肌肉是一项不断进步的技术，有朝一日可以使机器人像生物体一样发挥作用。这种肌肉为机器人如何塑造我们周围的世界开辟了新的可能性;从可以重新定义我们晚年身体能力的辅助可穿戴设备，到可以在废墟中寻找失踪者的救援机器人。但仅仅因为人造肌肉在使用过程中会产生强烈的社会影响，并不意味着它们在使用后必须留下强烈的环境影响。

来自斯图加特(德国)的马克斯普朗克智能系统研究所(MPI-IS)和林茨(奥地利)的约翰内斯开普勒大学(JKU)的国际研究团队现已将软体机器人技术的可持续性主题作为焦点和科罗拉多大学(CUBoulder)，博尔德(美国)。

科学家们合作设计了一种基于明胶、油和生物塑料的完全可生物降解的高性能人造肌肉。他们展示了这种可生物降解技术的潜力，通过使用它来制作机器人抓手的动画，这在一次性部署中特别有用，例如废物收集(观看Youtube视频，见下面的链接)。在生命的尽头，这些人造肌肉可以被丢弃在市政堆肥箱中;在受监控的条件下，它们会在六个月内完全生物降解。

“我们看到在加速发展的软体机器人领域迫切需要可持续材料。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有害物质的处理。取而代之的是在产品生命周期结束时堆积在垃圾填埋场，未来的机器人可能成为未来植物生长的堆肥，”来自CUBoulder的访问科学家EllenRumley说，他在MPI-IS的机器人材料部门工作。

具体来说，研究团队构建了一种名为HASEL的电动人造肌肉。从本质上讲，HASEL是充满油的塑料袋，部分被一对称为电极的电导体覆盖。在电极对上施加高电压会导致在电极对上形成相反的电荷，从而在它们之间产生一种力，将油推到袋子的无电极区域。这种油迁移导致小袋收缩，就像真正的肌肉一样。

HASEL变形的关键要求是构成塑料袋和油的材料是电绝缘体，可以承受带电电极产生的高电应力。

该项目的挑战之一是开发一种导电、柔软且可完全生物降解的电极。约翰内斯开普勒大学的研究人员基于生物聚合物明胶和盐的混合物创建了一种配方，可以将其直接浇铸到HASEL执行器上。

“对我们来说，制造适用于这些高性能应用的电极非常重要，但要有现成的组件和可访问的制造策略。由于我们提出的配方可以很容易地集成到各种类型的电力驱动系统中，它可以作为构建块用于未来的可生物降解应用，”该项目的共同第一作者、JKU软物质物理部的科学家DavidPreninger说。

下一步是寻找合适的可生物降解塑料。这类材料的工程师主要关心降解率或机械强度等性能，而不是电绝缘性;对在几千伏电压下工作的HASEL的要求。

尽管如此，一些生物塑料显示出与明胶电极良好的材料相容性和足够的电绝缘性。由一种特定材料组合制成的HASEL甚至能够在数千伏电压下承受100,000次启动循环，而不会出现电气故障或性能损失的迹象。这些可生物降解的人造肌肉与其不可生物降解的对应物在机电方面具有竞争力;促进人造肌肉技术可持续性的令人兴奋的结果。

EllenRumley继续说道：“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社区将可生物降解材料视为构建机器人的可行材料选择。”“我们用生物塑料取得了如此巨大的成果，这一事实有望激励其他材料科学家创造具有优化电气性能的新材料。”

随着绿色技术的日益普及，该团队的研究项目是朝着软机器人技术范式转变迈出的重要一步。使用可生物降解材料建造人造肌肉只是为可持续机器人技术铺平未来的第一步。

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