工程師為機器人開發了一種自修復肌肉

內布拉斯加大學林肯分校的一個工程團隊在開發模仿人類和植物皮膚檢測和自愈損傷能力的軟體機器人和可穿戴系統方面又邁出了新的一步。

工程師埃里克·馬克維克卡以及研究生埃 than·金斯和帕特里克·麥克馬尼格爾最近在喬治亞州亞特蘭大舉行的 IEEE 國際機器人與自動化會議上提交了一篇論文，該論文提出了一種軟體機器人技術的系統級方法，該方法可以識別穿刺或極端壓力造成的損傷，確定其位置并自主啟動自修復。

該論文是 1606 篇提交論文中 39 篇被選為 ICRA 2025 最佳論文獎決賽候選論文之一。它還獲得了最佳學生論文獎和機制與設計類別的決賽資格。

該團隊的戰略可能有助于克服開發軟體機器人系統中的一個長期難題，這些系統借鑒了自然設計原理。

"在我們的社區中，人們大力推動使用軟材料復制傳統的剛性系統，并且生物仿生學也正蓬勃發展，'馬克維克卡說，他是生物醫學工程系的羅伯特·F·馬克和米娜·L·克羅恩助理教授。'雖然我們已經能夠創造出柔軟且可貼合的電子設備和驅動器，但它們往往無法像生物學那樣在受到損傷后做出反應并啟動自我修復。"

為了填補這一空白，他的團隊開發了一種智能的自愈合人工肌肉，該肌肉具有多層結構，能夠使系統識別和定位損傷，然后啟動自我修復機制——所有這一切都不需要外部干預。

"人體和動物都非常神奇。我們可以受傷、瘀傷，并遭受相當嚴重的損傷。在大多數情況下，通過非常有限的外部繃帶和藥物應用，我們能夠自我修復很多東西，'馬克維克卡說。'如果我們能夠在合成系統中復制這種能力，那將真正改變該領域以及我們如何看待電子設備和機器。"

該團隊的“肌肉”——或稱執行器，即機器人將能量轉化為物理運動的部件——有三層結構。最底層是損傷檢測層，由嵌入硅橡膠中的液態金屬微滴組成的軟電子皮膚。該皮膚粘附在中間層，即自修復組件，這是一個硬質熱塑性彈性體。最上面是驅動層，當用水加壓時，它會啟動肌肉的運動。

該過程開始時，團隊在肌肉最底層的“皮膚”上施加五個監測電流，該層連接到微控制器和傳感電路。該層的穿刺或壓力損傷會觸發跡線之間形成電網絡。系統識別這個電足跡作為損傷的證據，并隨后增加通過新形成電網絡的電流。

這使得網絡能夠作為一個局部焦耳加熱器運行，將電能轉化為損傷區域的周圍熱量。幾分鐘之后，這種熱量熔化并重新處理中間的熱塑性層，從而密封損傷——有效地自愈傷口。

最后一步是通過擦除底層損傷的電氣足跡將系統重置為其原始狀態。為此，Markvicka 的團隊正在利用電遷移的影響，這是一個電流導致金屬原子遷移的過程。這種現象傳統上被視為金屬電路中的障礙，因為移動的原子會變形并導致電路材料中的間隙，從而導致設備故障和斷裂。

在一項重大創新中，研究人員正在利用電遷移來解決他們長期努力創建自主、自愈系統所面臨的問題：損傷引起的底層電氣網絡的看似永久性。如果沒有重置基線監控跡線的能力，系統無法完成超過一個損傷和修復的循環。

研究人員意識到，電遷移——憑借其分離金屬離子的物理能力和引發開路故障的能力——可能是擦除新形成痕跡的關鍵。該策略奏效了：通過進一步加大電流，該團隊可以誘導電遷移和熱失效機制，從而重置損傷檢測網絡。

"電遷移通常被認為是一個巨大的負面問題，"馬克維克婭說。"它是阻礙電子小型化的瓶頸之一。我們在這里以一種獨特且真正積極的方式使用它。我們首次利用它來擦除我們過去認為是不變的痕跡。"

自主自愈技術有可能徹底改變許多行業。在像內布拉斯加這樣的農業州，它可能為經常遇到尖銳物體（如樹枝、荊棘、塑料和玻璃）的機器人系統帶來福音。它也可能徹底改變必須承受日常磨損的穿戴式健康監測設備。

這項技術也將更廣泛地惠及社會。大多數基于消費者的電子產品只有一兩年壽命，每年都會產生數十億英鎊的電子垃圾。這種垃圾含有鉛、汞等有毒物質，威脅人類和環境健康。自修復技術可以幫助遏制這一趨勢。

“如果我們能夠開始創造能夠相當自主地檢測到損壞何時發生，并隨后啟動這些自我修復機制的材料，這將真正具有變革性，”馬克維克婭說。