我們的肌肉是大自然完美的致動器——將能量轉(zhuǎn)化為運動的裝置。就其大小而言，肌肉纖維比大多數(shù)合成致動器更強大、更精確。它們甚至可以從損傷中愈合，并通過鍛煉變得更強壯。

由于這些原因，工程師們正在探索用天然肌肉為機器人提供動力的方法。他們已經(jīng)展示了一些“生物混合”機器人，這些機器人使用基于肌肉的驅(qū)動器來驅(qū)動能夠行走、游泳、抽水和抓握的人造骨骼。但對于每一個機器人，都有非常不同的構(gòu)造，對于任何給定的機器人設(shè)計，如何最大限度地利用肌肉，都沒有通用的藍圖。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種類似彈簧的裝置，它可以作為幾乎所有肌肉機器人的基本骨骼模塊。新的彈簧，或“彎曲”，是為了讓任何附加的肌肉組織得到最大的工作。就像腿部按壓需要恰到好處的重量一樣，該設(shè)備最大限度地提高了肌肉自然產(chǎn)生的運動量。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當他們在設(shè)備上安裝一圈肌肉組織時，就像橡皮筋繞在兩個柱子上一樣，肌肉會可靠地、反復(fù)地拉動彈簧，與之前的其他設(shè)備設(shè)計相比，它的拉伸程度增加了五倍。

該團隊將柔性設(shè)計視為一種新的構(gòu)建模塊，可以與其他柔性相結(jié)合，構(gòu)建任何配置的人造骨架。然后，工程師們可以在骨骼上安裝肌肉組織，為它們的運動提供動力。

麻省理工學(xué)院工程設(shè)計專業(yè)的英國和亞歷克斯·達貝洛夫職業(yè)發(fā)展教授里圖·拉曼說:“這些彎曲就像一個骨架，人們現(xiàn)在可以用它來將肌肉驅(qū)動以一種非?？深A(yù)測的方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€自由度的運動?！薄拔覀冋跒闄C器人專家提供一套新的規(guī)則，以制造強大而精確的肌肉驅(qū)動機器人，讓它們做有趣的事情。”

拉曼和她的同事在《高級智能系統(tǒng)》雜志上發(fā)表的一篇論文中報告了這種新型柔性設(shè)計的細節(jié)。該研究的共同作者包括Naomi Lynch, 12歲，SM '23;本科生塔拉·希恩;研究生尼古拉斯·卡斯特羅、勞拉·羅薩多和布蘭登·里奧斯;以及機械工程教授馬丁·卡爾佩珀。

肌肉拉

在有利的條件下單獨放在培養(yǎng)皿中，肌肉組織會自行收縮，但收縮的方向并不完全可預(yù)測，也沒有多大用處。

拉曼說:“如果肌肉沒有附著在任何東西上，它會移動很多，但有很大的可變性，它只是在液體中亂晃?！?/p>

為了讓肌肉像機械驅(qū)動器一樣工作，工程師通常會在兩個小而靈活的柱子之間附著一束肌肉組織。當肌肉帶自然收縮時，它可以彎曲柱子并將它們拉在一起，產(chǎn)生一些運動，理想地為機器人骨骼的一部分提供動力。但在這些設(shè)計中，肌肉產(chǎn)生的運動有限，主要是因為組織在接觸柱子的方式上變化很大。根據(jù)肌肉放置在柱子上的位置，以及肌肉表面接觸柱子的程度，肌肉可能會成功地將柱子拉在一起，但在其他時候可能會以無法控制的方式搖擺。

拉曼的研究小組希望設(shè)計出一種骨骼，無論肌肉在骨骼上的位置和方式如何，它都能集中并最大化肌肉的收縮，以一種可預(yù)測、可靠的方式產(chǎn)生最大的運動。

“問題是:我們?nèi)绾卧O(shè)計一個骨骼，最有效地利用肌肉產(chǎn)生的力量?”拉曼說。

研究人員首先考慮了肌肉自然運動的多個方向。他們推斷，如果一塊肌肉要把兩個柱子沿著一個特定的方向拉在一起，那么這些柱子應(yīng)該連接到一個彈簧上，這個彈簧只允許它們在被拉的時候朝那個方向移動。

拉曼說:“我們需要一種在一個方向上非常柔軟和靈活，而在所有其他方向上都非常僵硬的裝置，這樣當肌肉收縮時，所有的力都能有效地轉(zhuǎn)化為一個方向的運動?！?/p>

軟flex

事實證明，拉曼在馬丁·卡爾佩珀教授的實驗室里發(fā)現(xiàn)了許多這樣的裝置。卡爾佩珀在麻省理工學(xué)院的團隊專門設(shè)計和制造機器元件，如微型致動器、軸承和其他機構(gòu)，這些元件可以內(nèi)置到機器和系統(tǒng)中，以實現(xiàn)超精密的運動、測量和控制，適用于各種各樣的應(yīng)用。在該團隊的精密機械元件中，有一種是柔性元件——一種類似彈簧的裝置，通常由平行梁制成，可以以納米級的精度彎曲和拉伸。

拉曼說:“根據(jù)光束的細度和間距，你可以改變彈簧的硬度?！?/p>

她和卡爾佩珀合作設(shè)計了一種特別定制的柔韌性，其結(jié)構(gòu)和剛度使肌肉組織能夠自然收縮并最大限度地拉伸彈簧。該團隊根據(jù)他們進行的大量計算來設(shè)計設(shè)備的配置和尺寸，這些計算將肌肉的自然力量與屈曲剛度和運動程度聯(lián)系起來。

他們最終設(shè)計的屈曲度是肌肉組織本身剛度的1/100。這個裝置類似于一個微型的手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)，它的四個角被一個小柱子固定在一個底層的底座上，這個小柱子靠近一個直接安裝在底座上的相鄰柱子。然后，拉曼在兩個角柱周圍纏繞了一束肌肉(研究小組用從老鼠細胞中生長出來的活肌肉纖維塑造了這束肌肉)，并測量了肌肉束收縮時兩根柱子之間的距離。

研究小組發(fā)現(xiàn)，彎曲的結(jié)構(gòu)使肌肉束主要沿著兩根柱子之間的方向收縮。與之前的肌肉致動器設(shè)計相比，這種集中的收縮使肌肉將柱子拉得更近——距離是前者的五倍。

拉曼說:“我們設(shè)計的柔性骨架在一個方向上非常柔軟和靈活，而在所有其他方向上都非常僵硬?！薄爱敿∪馐湛s時，所有的力都轉(zhuǎn)換成那個方向的運動。這是一個巨大的放大?！?/p>

研究小組發(fā)現(xiàn)，他們可以使用該設(shè)備精確測量肌肉表現(xiàn)和耐力。當他們改變肌肉收縮的頻率時(例如，刺激肌肉束每秒收縮一次，而不是每秒收縮四次)，他們觀察到肌肉在更高的頻率下“變得疲勞”，并且沒有產(chǎn)生那么多的拉力。

拉曼說:“看看我們的肌肉疲勞有多快，以及我們?nèi)绾五憻捤鼈円垣@得高耐力的反應(yīng)——這就是我們可以用這個平臺發(fā)現(xiàn)的東西?！?/p>

研究人員現(xiàn)在正在調(diào)整和結(jié)合柔性，以制造精確、鉸接和可靠的機器人，由天然肌肉提供動力。

拉曼說:“我們試圖在未來制造的機器人的一個例子是可以在體內(nèi)進行微創(chuàng)手術(shù)的手術(shù)機器人?！薄皬募夹g(shù)上講，肌肉可以驅(qū)動任何大小的機器人，但我們對制造小型機器人特別興奮，因為這是生物致動器在強度、效率和適應(yīng)性方面的優(yōu)勢。”