麻省理工学院的工程师为肌肉驱动的机器人设计了柔软灵活的骨骼

我们的肌肉是大自然完美的执行器——将能量转化为运动的装置。就其尺寸而言，肌纤维比大多数合成执行器更强大、更精确。他们甚至可以通过锻炼治愈损伤并变得更强壮。

出于这些原因，工程师们正在探索利用天然肌肉为机器人提供动力的方法。他们展示了一些“生物混合”机器人，这些机器人使用基于肌肉的执行器为人造骨骼提供动力，以行走、游泳、泵动和抓握。但对于每个机器人来说，都有一个非常不同的构建，并且对于如何为任何给定的机器人设计充分利用肌肉没有通用的蓝图。

现在，麻省理工学院的工程师开发了一种类似弹簧的设备，可以用作几乎所有肌肉机器人的基本骨架模块。新的弹簧或“弯曲弹簧”旨在充分利用任何附着的肌肉组织。就像适合适当重量的腿举一样，该设备可以最大限度地提高肌肉自然产生的运动量。

研究人员发现，当他们将一圈肌肉组织安装到该设备上时，就像围绕两个柱子拉伸的橡皮筋一样，肌肉会可靠且反复地拉动弹簧，并将其拉伸程度是之前其他设备设计的五倍。

该团队将挠性设计视为一种新的构建块，可以与其他挠性结合起来构建任何配置的人工骨骼。然后，工程师可以在骨骼上安装肌肉组织，为它们的运动提供动力。

“这些弯曲部分就像一个骨架，人们现在可以用它以一种非常可预测的方式将肌肉驱动转变为多个运动自由度，”麻省理工学院工程设计专业职业发展教授 Ritu Raman 说。 “我们正在为机器人专家提供一套新的规则，以制造强大而精确的肌肉动力机器人，它们可以做有趣的事情。”

拉曼和她的同事在《高级智能系统》杂志上发表的一篇论文中报告了新挠性设计的细节 。 该研究的麻省理工学院合著者包括 Naomi Lynch '12、SM '23;塔拉·希恩 (Tara Sheehan) 本科生;研究生尼古拉斯·卡斯特罗、劳拉·罗萨多和布兰登·里奥斯;机械工程教授马丁·卡尔佩珀 (Martin Culpepper)。

肌肉拉力

当在有利条件下单独留在培养皿中时，肌肉组织会自行收缩，但收缩方向不完全可预测或没有多大用处。

“如果肌肉不附着在任何东西上，它会移动很多，但变化很大，它只是在液体中摆动，”拉曼说。

为了让肌肉像机械执行器一样工作，工程师通常在两个小而灵活的柱子之间连接一条肌肉组织。当肌肉带自然收缩时，它可以弯曲柱子并将它们拉到一起，产生一些运动，理想地为机器人骨架的一部分提供动力。但在这些设计中，肌肉产生的运动有限，主要是因为组织接触柱子的方式变化很大。根据肌肉放置在立柱上的位置以及肌肉表面接触立柱的程度，肌肉可能会成功地将立柱拉到一起，但有时可能会以无法控制的方式摆动。

拉曼的团队希望设计一种骨骼，无论肌肉放置在骨骼上的具体位置和方式如何，都能集中并最大化肌肉的收缩，从而以可预测、可靠的方式产生最大的运动。

“问题是：我们如何设计一个能够最有效地利用肌肉产生的力量的骨骼?”拉曼说。

研究人员首先考虑了肌肉可以自然移动的多个方向。他们推断，如果肌肉要将两个柱子沿特定方向拉到一起，则柱子应该连接到弹簧，仅允许它们在拉动时沿该方向移动。

拉曼说：“我们需要一种在一个方向上非常柔软和灵活，而在所有其他方向上都非常坚硬的装置，这样当肌肉收缩时，所有的力都能有效地转化为一个方向的运动。”

柔软的弹性

事实证明，拉曼在马丁·卡尔佩珀教授的实验室里发现了许多这样的设备。麻省理工学院的卡尔佩珀团队专门从事机器元件的设计和制造，例如微型执行器、轴承和其他机构，这些元件可以内置到机器和系统中，以实现超精确的运动、测量和控制，适用于各种应用。该小组的精密加工元件包括挠曲件——类似弹簧的装置，通常由平行梁制成，可以以纳米精度弯曲和拉伸。

“根据梁的厚度和距离，你可以改变弹簧的硬度，”拉曼说。

她和卡尔佩珀联手设计了一种专门定制的弯曲件，其配置和刚度使肌肉组织能够自然收缩并最大限度地拉伸弹簧。该团队根据将肌肉的自然力与弯曲的刚度和运动程度联系起来的大量计算来设计设备的配置和尺寸。

他们最终设计的弯曲度是肌肉组织本身刚度的 1/100。该设备类似于一个微型的手风琴状结构，其角通过一根小柱固定在底层底座上，该小柱位于直接安装在底座上的相邻柱附近。然后，拉曼将一条肌肉带缠绕在两个角柱上(研究小组用小鼠细胞中生长的活肌肉纤维塑造了这些带)，并测量了当肌肉带收缩时，柱子拉在一起的距离有多近。

研究小组发现，弯曲部分的配置使肌带主要沿着两个柱之间的方向收缩。与之前的肌肉执行器设计相比，这种集中收缩使肌肉能够将柱子拉得更近——接近五倍。

“弯曲部分是一种骨架，我们设计的在一个方向上非常柔软且灵活，而在所有其他方向上都非常坚硬，”拉曼说。 “当肌肉收缩时，所有的力都会转化为朝那个方向的运动。这是一个巨大的放大倍数。”

研究小组发现他们可以使用该设备来精确测量肌肉性能和耐力。当他们改变肌肉收缩的频率时(例如，刺激带子每秒收缩一次与四次)，他们观察到肌肉在较高频率下“变得疲劳”，并且不会产生那么多的拉力。

“看看我们的肌肉疲劳的速度有多快，以及我们如何锻炼它们以产生高耐力反应 - 这就是我们可以通过这个平台发现的内容，”拉曼说。

研究人员现在正在调整和组合弯曲部分，以构建由自然肌肉驱动的精确、铰接且可靠的机器人。

“我们未来试图制造的机器人的一个例子是外科手术机器人，它可以在体内执行微创手术，”拉曼说。 “从技术上讲，肌肉可以为任何尺寸的机器人提供动力，但我们对制造小型机器人感到特别兴奋，因为这是生物执行器在强度、效率和适应性方面表现出色的地方。”

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