機(jī)器人“增肌”不靠蛋白粉，人造肌肉了解一下？

原標(biāo)題：機(jī)器人“增肌”不靠蛋白粉，人造肌肉了解一下？

在人體的種種組織中，肌肉是其中的關(guān)鍵一類。肌肉的體積不僅僅關(guān)系著人的外表，在日常活動時(shí)肌肉收縮牽引骨骼進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)，還起到了重要的杠桿作用。

也就是說，我們這個(gè)物種之所以能用兩只小腳穩(wěn)定住龐大身軀、靈活運(yùn)動還能搬運(yùn)沉重的物品，很大一部分原因來自于我們身上復(fù)雜的肌肉結(jié)構(gòu)。

那么，這樣的結(jié)構(gòu)可以被復(fù)制到機(jī)器人領(lǐng)域嗎？

機(jī)器人的肌肉，應(yīng)該是由什么組成的？

目前主導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動的一般都是液壓、電機(jī)這些傳統(tǒng)的供能形式，將電磁能進(jìn)行能量傳導(dǎo)進(jìn)行運(yùn)動，簡單回憶一下挖掘機(jī)這一類大型機(jī)械的運(yùn)作方式，就能想象到今天的機(jī)器人是如何工作的。

我們在物理課本上都學(xué)過，能量轉(zhuǎn)換是有一定效率的，易用能量產(chǎn)生轉(zhuǎn)換、難用能量在轉(zhuǎn)換過程中消失。相比機(jī)械能和電能的互相轉(zhuǎn)換，生物肌肉的能量來源是化學(xué)能，能量轉(zhuǎn)換效率更高。

這也一定程度上造就了生物肌肉的特質(zhì)：強(qiáng)大的拉力（每平方厘米約有5Kg）、靈活的伸縮性（收縮和伸長比率達(dá)到60%）以及極大的耐用性和自我修復(fù)能力。

相較之下，那些沉重的、僵硬的、還需要經(jīng)常修理的機(jī)械簡直是弱爆了。于是從上個(gè)世紀(jì)40年代以來，科學(xué)家們一直在進(jìn)行人造肌肉方面的研究，試圖將肌肉組織的優(yōu)勢應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備中去。

目前人造肌肉的形式大概有以下幾種。

·氣動類

氣動人工肌肉可以說是人造肌肉里最為簡單廉價(jià)的一種了，想象以下，在自己手臂下放置一個(gè)氣球，通過氣球不斷充氣，手臂自然也被氣球脹大的體積抬起來了。

氣動類人工肌肉就是通過柔性材料模仿肌肉組織，加上氣壓的驅(qū)動來模仿肌肉的柔軟、靈活和輕便。

MIT就曾推出過一種可壓縮軟骨架+密封袋+氣體/流體介質(zhì)的人造肌肉，模仿折紙結(jié)構(gòu)的彈性發(fā)力，能夠提起比裝置本身重1000倍的東西。

·智能材料類

智能材料包括很多種，例如可以通過高壓靜電驅(qū)動的電活化聚合物，或者能夠通過環(huán)境溫度變化而伸縮的凝膠等等。我們可以理解成一塊橡膠被包裹在液體之中，通過液體溫度的改變而產(chǎn)生熱脹冷縮。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校的科研學(xué)者們就研究出了這樣一種材料裝置HASEL，利用廉價(jià)的塑料制品填充絕緣液體，再連接上電極，就可以在電壓通過時(shí)做出動作。在實(shí)驗(yàn)中，這種柔軟的材料有69%的拉伸度（這個(gè)數(shù)字已經(jīng)很接近生物肌肉了），并且能輕柔的抓起樹莓、生雞蛋這些脆弱的物體，不會像機(jī)械裝置那樣對物體產(chǎn)生破壞。而且這種材料非常廉價(jià)，制造一個(gè)能抓起雞蛋的HASEL只需要10美分。

·人工培養(yǎng)類

但論起喪心病狂來，還要看日本科學(xué)家。最近有新聞稱，日本東京大學(xué)等團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了世界上第一個(gè)生物肌肉機(jī)器人。附著在樹脂骨骼之外的并不是氣囊或凝膠，而是在培養(yǎng)皿中利用小鼠骨骼肌細(xì)胞培養(yǎng)出來的“真·肌肉組織”。

在電流的刺激下，單側(cè)肌肉可以進(jìn)行收縮運(yùn)動，帶動關(guān)節(jié)進(jìn)行彎曲。從而可以勾起一些物品。不過因?yàn)樯婕暗缴锝M織培養(yǎng)，這種人造肌肉的造價(jià)會十分昂貴，同時(shí)會發(fā)生肌肉僵直等問題，目前還屬于試驗(yàn)性質(zhì)。

·謎之材料類

剩下的就用各種各樣稀奇古怪的材料模仿肌肉組織的構(gòu)成，然后利用熱能、電能等等形式發(fā)力了。

例如德克薩斯大學(xué)的納米科技專家利用“紡線”的形式把納米纖維導(dǎo)管組成肌纖維，再在纖維導(dǎo)管中加入石蠟導(dǎo)熱，通過石蠟的熱脹冷縮促使肌肉運(yùn)動。除了納米纖維之外，還有記憶合金絲、壓電陶瓷等等各種各樣稀奇古怪的材料。但這些材料大多只能保證伸縮性，卻不能保證效能和成本。

哪些機(jī)器人已經(jīng)長出肌肉了？

雖然關(guān)于人造肌肉的研究很多，但我們目前一般只能在兩個(gè)領(lǐng)域見到人造肌肉在機(jī)器人身上的應(yīng)用。

一類是機(jī)械外骨骼。

氣動人造肌肉憑借材料輕便、柔軟舒適兩大優(yōu)勢成為了機(jī)械外骨骼中最受歡迎的動力裝置。

但問題是氣動人造肌肉的動力源并不便于攜帶和移動，也不能像電力驅(qū)動那樣通過充電來增強(qiáng)便攜性。這就導(dǎo)致氣動人造肌肉驅(qū)動的機(jī)械外骨骼提供的動力和使用場景總要有所局限，比如固定在某一地點(diǎn)使用，或者僅僅在手部、腿部等部位進(jìn)行小規(guī)模應(yīng)用。

但即使如此，氣動人造肌肉也已經(jīng)有很高的實(shí)用性了。比如可以在快遞小哥短距離搬運(yùn)物體時(shí)進(jìn)行支撐，或者作為手部、腿部康復(fù)設(shè)備使用。

另一類則是軟體機(jī)器人。

為了保證靈活性和伸縮性，人造肌肉應(yīng)用的柔軟材料和軟體機(jī)器人不謀而合，甚至應(yīng)該說正是因?yàn)橛腥嗽旒∪獾难芯窟M(jìn)展，軟體機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用才能成為可能。

機(jī)器人的應(yīng)用場景分為兩種，一種是結(jié)構(gòu)化場景，例如工業(yè)生產(chǎn)。我們已經(jīng)知道了機(jī)械手和車床之間的所有距離數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。另一種則是非結(jié)構(gòu)化場景，比如復(fù)雜空間的勘探。我們所掌握的數(shù)據(jù)很少，無法進(jìn)行精準(zhǔn)控制，這時(shí)柔軟靈活的機(jī)器人在行動時(shí)就擁有更多優(yōu)勢。

不過目前軟體機(jī)器人如果單純靠人造肌肉驅(qū)動也會有很多問題，比如電極連通材料或溫度變化影響材料的控制精密度都有限，一個(gè)只會脹大縮小的機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用時(shí)用處都不大。很多時(shí)候還是要依靠機(jī)械裝置和人造肌肉一齊驅(qū)動。

有肌肉的機(jī)器人……可能離我們還很遠(yuǎn)

其實(shí)我們很難在機(jī)器人身上看到人造肌肉應(yīng)用的最關(guān)鍵原因，還是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在需要的是精密的機(jī)械控制。

機(jī)械手嚴(yán)密的按照每一個(gè)步驟進(jìn)行工作、掃地機(jī)器人會為自己設(shè)定下嚴(yán)格的行進(jìn)路線……換句話說，現(xiàn)在的機(jī)器人還是太不智能了，幾乎沒有容錯(cuò)機(jī)制，自然也應(yīng)用不上人造肌肉靈活彈性的優(yōu)點(diǎn)。即使今天深度學(xué)習(xí)有所發(fā)展，大多也是通過高頻高效的計(jì)算來給機(jī)器人輸出靈活而嚴(yán)密的指令。

不過有趣的是，當(dāng)初容錯(cuò)性較高的模糊控制理論之所以沒能很好的發(fā)展，一部分原因就是機(jī)械驅(qū)動和金屬材料在模糊控制下容易出現(xiàn)事故。

相信未來隨著模糊控制理論的發(fā)展，未來我們也許會允許一個(gè)小機(jī)器人在房間里四處亂轉(zhuǎn)來熟悉環(huán)境，人造肌肉就會派上用場。

當(dāng)然，目前人造肌肉本身的造價(jià)、工作效率、控制能力尤其是工業(yè)化程度也比不上機(jī)械驅(qū)動?；蛟S未來當(dāng)人造肌肉逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，總有一天鋼鐵和塑料不再會是機(jī)器人的全部。

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