機器人“增肌”不靠蛋白粉，人造肌肉了解一下？

在人體的種種組織中，肌肉是其中的關鍵一類。肌肉的體積不僅僅關系著人的外表，在日?；顒訒r肌肉收縮牽引骨骼進行關節(jié)運動時，還起到了重要的杠桿作用。

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

那么，這樣的結構可以被復制到機器人領域嗎？

機器人的肌肉，應該是由什么組成的？

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

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

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

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

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的一種了，想象以下，在自己手臂下放置一個氣球，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，模仿折紙結構的彈性發(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。

科羅拉多大學博爾德分校的科研學者們就研究出了這樣一種材料裝置HASEL，利用廉價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做出動作。在實驗中，這種柔軟的材料有69%的拉伸度（這個數(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，不會像機械裝置那樣對物體產(chǎn)生破壞。而且這種材料非常廉價，制造一個能抓起雞蛋的HASEL只需要10美分。

·人工培養(yǎng)類

但論起喪心病狂來，還要看日本科學家。最近有新聞稱，日本東京大學等團隊研發(fā)出了世界上第一個生物肌肉機器人。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胞培養(yǎng)出來的“真·肌肉組織”。

在電流的刺激下，單側肌肉可以進行收縮運動，帶動關節(jié)進行彎曲。從而可以勾起一些物品。不過因為涉及到生物組織培養(yǎng)，這種人造肌肉的造價會十分昂貴，同時會發(fā)生肌肉僵直等問題，目前還屬于試驗性質(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。

例如德克薩斯大學的納米科技專家利用“紡線”的形式把納米纖維導管組成肌纖維，再在纖維導管中加入石蠟導熱，通過石蠟的熱脹冷縮促使肌肉運動。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。

哪些機器人已經(jīng)長出肌肉了？

雖然關于人造肌肉的研究很多，但我們目前一般只能在兩個領域見到人造肌肉在機器人身上的應用。

一類是機械外骨骼。

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便攜性。這就導致氣動人造肌肉驅(qū)動的機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使用，或者僅僅在手部、腿部等部位進行小規(guī)模應用。

但即使如此，氣動人造肌肉也已經(jīng)有很高的實用性了。比如可以在快遞小哥短距離搬運物體時進行支撐，或者作為手部、腿部康復設備使用。

另一類則是軟體機器人。

為了保證靈活性和伸縮性，人造肌肉應用的柔軟材料和軟體機器人不謀而合，甚至應該說正是因為有人造肌肉的研究進展，軟體機器人的出現(xiàn)和應用才能成為可能。

機器人的應用場景分為兩種，一種是結構化場景，例如工業(yè)生產(chǎn)。我們已經(jīng)知道了機械手和車床之間的所有距離數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)精準控制。另一種則是非結構化場景，比如復雜空間的勘探。我們所掌握的數(shù)據(jù)很少，無法進行精準控制，這時柔軟靈活的機器人在行動時就擁有更多優(yōu)勢。

不過目前軟體機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，一個只會脹大縮小的機器人在實際應用時用處都不大。很多時候還是要依靠機械裝置和人造肌肉一齊驅(qū)動。

有肌肉的機器人……可能離我們還很遠

其實我們很難在機器人身上看到人造肌肉應用的最關鍵原因，還是因為我們現(xiàn)在需要的是精密的機械控制。

機械手嚴密的按照每一個步驟進行工作、掃地機器人會為自己設定下嚴格的行進路線……換句話說，現(xiàn)在的機器人還是太不智能了，幾乎沒有容錯機制，自然也應用不上人造肌肉靈活彈性的優(yōu)點。即使今天深度學習有所發(fā)展，大多也是通過高頻高效的計算來給機器人輸出靈活而嚴密的指令。

不過有趣的是，當初容錯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小機器人在房間里四處亂轉來熟悉環(huán)境，人造肌肉就會派上用場。

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

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