王宏强团队在面向微型机器人的静电驱动人工肌肉研究上取得进展

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近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授王宏强研究团队在机器人领域权威期刊《机器人学研究》（International Journal of Robotics Research, IJRR）发表研究成果，论文题目为“Biologically inspired electrostatic artificial muscles for insect-sized robots”，提出了一种全新的微型人工肌肉的设计和加工方法，实现了高柔性、高可控性、高跨尺度性能的微型人工肌肉。

        微小型（1-10毫米左右）机器人近年由于其尺度优势，在无创医疗、工业检测、灾后搜救等方面有着广泛的应用需求。然而，该尺度下的动力——驱动模块一直以来存在能量密度低、控制困难、跨尺度性能弱、成本高等问题，严重制约着微型机器人的快速发展和广泛应用。针对该问题，研究团队借鉴了历经万亿年进化的动物的肌肉特性提出了相关解决方案。动物的形态和习性千奇百怪，然而小到蚂蚁，大到大象，其肌肉的结构却非常类似。肌肉既能实现较大范围的运动幅度，也能实现高精度的控制（这对于人工肌肉设计是相互冲突的两个方面）。此外，肌肉受到冲击后，也不容易损坏。动物肌肉的突出能力可能主要来源于两方面：一是其从纳米到厘米的跨尺度工作机制和多层级结构（微纳级的肌动蛋白实现微米级的移动，肌动蛋白拼合成链，链聚成层，层聚成束，束聚成捆，最终形成厘米尺度的肌肉），二是组成肌肉的肌纤维为柔性材料。

图1 肌肉（A）与静电驱动人工肌肉（B）的原理和结构对比

图2 基于静电场的微型人工肌肉

       受自然界生物肌肉驱动机制启发，研究团队首先设计了基于静电场的微米级驱动单元——电极，然后通过电极排列成片，多片堆叠成组，多组堆叠成肌肉的多层级设计方法实现了仿生人工肌肉。其材料主要使用高分子材料，因此具有较好的柔性、可加工性和低成本。计算和实验表明，该方法可以实现微米到厘米级的驱动器，位移量达到自身长度的50%以上，开环控制精度为微米级，功率密度与普通肌肉相近。而且该驱动器质量轻、厚度薄，非常适合需要轻质、狭小空间工作的应用场合（如航空航天、无创医疗等）。该设计填补了高性能静电人工肌肉在介观尺度下的空白。
       基于该微型人工肌肉，可以实现多种多样的高性能微型机器人。该研究中设计了仿蚯蚓微型爬行机器人和仿肠蠕动微型医疗机器人。仿蚯蚓微型爬行机器人是在微型人工肌肉上贴附模仿蚯蚓体毛的钢针制作而成。无需传感，它可以实现开环控制下的精确运动。携带微型摄像头后，可以轻松通过缝隙（5毫米），进入狭小的管道进行检测。由于该机器人具有较好的柔性，所以在被踩踏之后，能够自然恢复，继续工作。在医疗方面，由于这种微型驱动器非常薄（100微米厚），而且具有良好的柔性，可以将之贴附于医疗器械上，模仿动物肠道壁上的平滑肌的蠕动，作为额外的动力来源和工具，辅助手术治疗。本项目将该微型机器人贴附于内窥镜末端，可以驱动刀或针，实验证明，其可以实现精确可控的切割和活检取样。

图3 基于微型静电人工肌肉的仿蚯蚓机器人

图4 基于微型静电人工肌肉的仿平滑肌医疗机器人

       基于静电场的微型人工肌肉有着广阔的应用前景，特别是需求大行程、高精度、轻质、低成本的场合，例如无创手术、飞机发动机检测、工业设备内检、灾后搜救等。该研究为微型机器人的设计提供了一种新的驱动方案，为实现更高性能的微型机器人提供了解决途径，为广泛存在的介观尺度下的探索和操作提供了技术基础。
       王宏强为第一作者和第一通讯作者，南方科技大学为第一通讯单位。哈佛大学、麻省理工学院、波士顿大学为合作单位。该研究获得了国家自然科学基金青年项目、广东省自然科学基金以及深圳市重点实验室基金的资助。
        论文链接：https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/02783649211002545


        文章来源：南方科技大学
        王宏强， 2015年5月获日本东京大学博士学位。其后于新加坡国立大学生物医疗机器人实验室作博士后研究。2015年10月开始，于哈佛SEAS/Wyss （School of Engineering and Applied Science and Wyss Institute）做博士后研究。主要成果包括：1） 超薄柔性攀爬机器人；2）毫米尺度的超薄、长行程静电型电机；3）可自由穿越水空界面的蜜蜂飞行机器人 （被BBC、福布斯电台、Science News等多家媒体报道）。