意大利面為柔性驅動器帶來新思路驅動器收縮效率可達45%

對每一位從事機器人技術研究的人來說，讓機器人擁有最快、最強大、最柔軟、最靈敏，效率最高且成本最低的驅動方式，恐怕都是夢寐以求的。有了柔軟靈敏且功能強大的驅動技術，機器人的能力也會相應提高數倍，甚至還會更柔軟。

而目前的主要趨勢是，科學家們會從自然界尋找靈感，通過模仿生物的某個器官，來制造出更強大的驅動技術和柔性更高的機器人——也就是我們所說仿生原理。

基于仿生原理，科學家經常會模仿人類肌肉在運動時的行為，來設計機器人的驅動部件。在理想情況下，設計出的驅動部件甚至會比人類的肌肉更強大，反應更快、柔性更高。

目前在市場上的驅動器，綜合能力最強的可能就是電動馬達驅動器和液壓驅動器，盡管它們的反應速度已經很快，驅動能力也已經很強，但這些驅動器都有一個共同的缺陷：那就是它們的剛性構造、以及強硬而無法變形的身體，使得它們在人類肌肉面前有時候顯得死板而笨拙，比如它們無法像人類肌肉那樣在遇到障礙時，通過變形來通過障礙或繞開障礙，也無法行走于某些復雜的蜿蜒崎嶇的路線。

可以說，這些功能反應都不錯的剛性驅動器，曾催生出一系列突破性的新型機器人的問世。但是，隨著機器人技術的發現，機器的種類也變得越來越多樣且細致，這些剛性驅動器已無法滿足機器人技術的需要。人們需要功能強大的柔性驅動器，來制作更加仿生的機器人，或者是更優秀的仿生假肢。

而就在最近，在柔性驅動器領域科學家們有了新的突破。科學家們從彈弓通心粉找到了靈感， 模仿這種意大利面的形狀制作出了一種柔性驅動器，這種彈弓通心粉形狀的驅動器，已擁有接近人類肌肉的靈活性與適應性，甚至在某些方面還超過了人類骨骼肌。

由于因為這種驅動器的形狀與彈弓通心粉相似，驅動器的發明人將這種驅動器命名為“彈弓通心粉型人工肌肉”。

研發出這種柔性驅動器的科學家，是來自北亞利桑那大學機械工程系動態主動系統實驗室的副教授（兼校友） Michael Shafer和Heidi Feigenbaum教授，以及研究生研究員Diego Higueras-Ruiz。他們的這項研究成果，也發表在了《科學機器人》上，論文名為《通過拉伸、纏繞和旋繞聚合物管制成的彈弓通心粉型人造肌肉》。

A: 彈弓通心粉； B: 形狀簡單的可拉伸聚合物管；C-H：開發出來的由簡單的拉伸聚合物制作出來的彈弓通心粉形狀的執行器

下面用圖片來介紹這款“彈弓通心粉型人工肌肉”，上圖中的A就是在西餐桌上經常會見到的彈弓通心粉，而B圖則是這款驅動器的原材料，即“可拉伸聚合物管”，使用這種原材料，科學家們將它進行各種加工、變形，就有了不同模樣的驅動器，這款”彈弓通心粉型人工肌肉”，也就是上圖中的C-H。

簡單的拉伸聚合物制作出來的彈弓通心粉形狀的執行器

為什么要選擇彈弓通心粉形狀呢？這其中的奧秘在于，具備彈弓通心粉的螺旋形結構后，驅動器可以產生功率會變得更高，科學家們已經在研究的初期證明，彈弓通心粉狀人工肌肉可以產生擁有比人類的骨骼肌高十倍的特定功，且擁有比人體骨骼肌高5倍的功率指標。

并且隨著它們的不斷發展，他們期望產生更高水平的性能。擁有這樣強大的特性，我們不難想象，彈弓通心粉人工肌肉技術將會很快受到生物工程和機器人應用的青睞，而且今后隨著研究的進一步推進，它的功能還會更加強大。

這款彈弓通心粉人工肌肉技術的前身，是驅動器界曾經的明星——扭曲聚合物驅動器（TPA）。說到扭曲聚合物驅動器（TPA），它的初次問世可以說給驅動器界帶來了一場革新，因為它功能強大卻輕巧，而且價格還很便宜，很適合在機器人工業中大量使用，可以說是機器人產業一直夢寐以求的驅動器。

可惜它有兩個致命的缺點，一個是反應緩慢，因為必須要不斷給驅動器進行加熱和冷卻才能使驅動器向外做功，另一個致命缺點是它們的效率太低，只有大約2/100，也就是說只有2%的電能可以轉換成驅動器向外輸出的機械動能。

而彈弓通心粉的發明者們克服這兩個技術難題的思路是，通過使用加壓流體驅動，來克服扭曲聚合物驅動器（TPA）自身的缺陷。使用加壓流體驅動后，驅動器的反應速度可以和泵送流體的速度一樣快。

而且最大的改進是對TPA的效率的改進——改進后的驅動器的在進行收縮操作時，可達到高達45%的收縮效率，也就是說45%的電能都可以成功轉化成為收縮動作需要的動能。45%的收縮效率，在柔性驅動器領域中已經是非常高的數字了。

盡管還在研發階段，但是彈弓通心粉人工肌肉已經正在受到各界的追捧與矚目。不難想象，這項技術將會給柔性機器人領域帶來巨大的革新。

不僅如此，在剛性機器人領域，其應用也將提升機器人的性能，并帶來更多的可能性，比如說用于步行機器人上，機器人的動作將更加柔軟。此外，還可以將其應用于輔助技術，比如制造出更靈敏柔軟的外骨骼或假肢上。