為什么人造肌肉不用到機(jī)器人身上？

其實(shí)人造肌肉這個(gè)名字起得不是很好，更妥帖的名字應(yīng)該叫電活性智能材料。因?yàn)槲沂亲鏊聶C(jī)器人方向的，所以接下來(lái)的舉例我就以水下機(jī)器人為例了。在這之前，需要來(lái)說(shuō)說(shuō)相關(guān)概念。

對(duì)于電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（actuator）來(lái)說(shuō)，大體可以分為兩種：一種是純機(jī)械驅(qū)動(dòng)，一種是智能材料驅(qū)動(dòng)。

純機(jī)械驅(qū)動(dòng)自然就是依靠數(shù)字舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等，這些直接依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合與運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人身體部位運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)運(yùn)作。

其中，數(shù)字舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都是電機(jī)的一種，也俗稱(chēng)馬達(dá)。它們的主要作用都是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。數(shù)字舵機(jī)只需要發(fā)送一次PWM信號(hào)就能保持在規(guī)定的某個(gè)位置，但是轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限，多為180度或者360度；而步進(jìn)電機(jī)則不能實(shí)現(xiàn)位置控制，但是卻可以沿著一個(gè)方向一直轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，將馬達(dá)應(yīng)用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)等活動(dòng)處，可以輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所需要的運(yùn)動(dòng)。

而智能材料驅(qū)動(dòng)就是依靠類(lèi)似于SMA (shape memory alloy)、EMA (electromagnetic actuation)、IPMC (ionic polymer metal composite)這些智能材料通電或者溫度變化產(chǎn)生的形變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

SMA的中文名叫形狀記憶合金，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發(fā)生的形變，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。它可以用于報(bào)警器的控制元件以及記錄筆的驅(qū)動(dòng)裝置等。

EMA即電磁驅(qū)動(dòng)，其原理也十分簡(jiǎn)單，導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與原磁場(chǎng)相互作用使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這就是電磁驅(qū)動(dòng)。由于電磁產(chǎn)生的力相對(duì)較小，所以EMA多應(yīng)用于并不需要太大力即可驅(qū)動(dòng)的情況。IPMC的中文名叫離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料，由于其較低的驅(qū)動(dòng)電壓即能產(chǎn)生較大的位移變形，所以在機(jī)器人領(lǐng)域使用得較多一些，接下來(lái)我也會(huì)通過(guò)實(shí)例對(duì)這種材料進(jìn)行說(shuō)明。

雖然表面上，智能材料驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一塊新大陸，似乎可以通過(guò)對(duì)其深入挖掘和大規(guī)模的使用而大大減小機(jī)器人體積，改造其冰冷的機(jī)器外形。然而，智能材料的形變量相對(duì)于機(jī)械驅(qū)動(dòng)來(lái)講卻十分有限，精度也不夠，所以很遺憾地告訴你，所謂的“人造肌肉”在機(jī)器人領(lǐng)域的適用范圍真的很小。

下面我就以IPMC (ionic polymer metal composite)為例，稍微說(shuō)明一下。

IPMC這種材料的特點(diǎn)就是，你只要對(duì)它通電，它就會(huì)產(chǎn)生形變。

一般是對(duì)IPMC厚度方向施加電壓時(shí)，IPMC會(huì)向陽(yáng)極彎曲，原理見(jiàn)下圖。那人們自然可以利用這個(gè)特點(diǎn)：通電——形變——驅(qū)動(dòng)，把他用在機(jī)器人身上，讓它產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。而且這種材料體積小，質(zhì)量輕，能夠產(chǎn)生大運(yùn)動(dòng)，并且不需要軸承和滑動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)電壓低。這些特點(diǎn)看起來(lái)，當(dāng)然要好過(guò)電機(jī)那個(gè)大個(gè)頭，可以減少占地空間。

但是這個(gè)肌肉的的另一個(gè)特點(diǎn)與機(jī)器人控制上的一個(gè)重要需求有所相左，就是控制上不太好操作。

一個(gè)數(shù)字舵機(jī)只要給一個(gè)占空比，就能讓它轉(zhuǎn)到我們需要的位置。但是IPMC的形變卻是一個(gè)非線性過(guò)程，需要我一點(diǎn)點(diǎn)地標(biāo)定才能最后投入使用。而且他的形變量也十分有限，最大的也只能從直的狀態(tài)彎成九十度，還有一個(gè)弧度，不甚理想。

所以，這樣的智能材料可以用在控制精度不太高的地方。

例如我想控制一個(gè)機(jī)器人，讓它模仿水母的噴射式推進(jìn)模式一張一縮的，也不需要非得控制到張開(kāi)多少，收縮多少，只要能張縮，讓機(jī)器人游起來(lái)就行，這樣的領(lǐng)域智能材料倒是可以占據(jù)一席地位。2012年美國(guó)Virginia Tech智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中心的Joseph Najem等人就利用IPMC作為驅(qū)動(dòng)器，以維多利亞多管發(fā)光水母為原型，設(shè)計(jì)制作了仿生機(jī)器水母，物理樣機(jī)見(jiàn)下圖。

(a) 機(jī)器水母物理樣機(jī)(b)實(shí)驗(yàn)裝置

機(jī)器水母有一個(gè)可熱縮的高分子膜構(gòu)成的柔韌的腔體，一個(gè)中心柱，一個(gè)用于接線和支撐驅(qū)動(dòng)器的平臺(tái)，8個(gè)用于保持上部穩(wěn)定的桅桿和呈放射狀的IPMC驅(qū)動(dòng)器。該機(jī)器水母重20g、直徑15 cm、高5.8 cm。由于IPMC材料在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，可以構(gòu)建這種驅(qū)動(dòng)器來(lái)模擬水母腔體的收縮和擴(kuò)張過(guò)程，但是遺憾的是這只機(jī)器水母的速度只有0.77mm/s，速度之小令人很是失望。 

總而言之，大多數(shù)的機(jī)器人控制中，控制精度是一個(gè)重要指標(biāo)，而且鑒于運(yùn)動(dòng)范圍比較小，所以所謂的人工肌肉并不能得到大面積的使用。

編者注：以上2張圖片來(lái)源——

1、IPMC材料：Bhandari B, Lee G Y, Ahn S H. A review on IPMC material as actuators and sensors: Fabrications, characteristics and applications[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2012, 13(1):141-163.

2、 機(jī)器水母物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置：Najem J, Leo D J. A bio-inspired bell kinematics design of a jellyfish robot using ionic polymer metal composites actuators[C]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health MonitoringInternational Society for Optics and Photonics, 2012.

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