今年是2020年，距離牛頓被第一個(gè)蘋(píng)果砸到過(guò)去了352年，與愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論相隔了103年，距離“人工智能”這一術(shù)語(yǔ)的誕生也隔了62年。

得益于科學(xué)家對(duì)人類身體的研究，近來(lái)，機(jī)器文明又取得了一項(xiàng)進(jìn)步。利用對(duì)人類脊髓的研究成果，伊利諾伊大學(xué)香檳分校研究人員使用3D打印技術(shù)制造出柔軟骨架，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了由肌肉和脊髓組織提供動(dòng)力的小型步行機(jī)器人“spinobots”。

該校細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授、研究帶頭人Martha Gillette說(shuō)，雖然過(guò)去已經(jīng)有生物機(jī)器人可以通過(guò)簡(jiǎn)單的肌肉收縮來(lái)前進(jìn)，但脊髓的增加讓它們有了更自然的行走節(jié)奏。

Gillette說(shuō)：“這些都是朝著交互式生物設(shè)備方向前進(jìn)的開(kāi)始，同時(shí)這些生物設(shè)備也可用于神經(jīng)計(jì)算和恢復(fù)醫(yī)學(xué)?！?。研究以Emergence of functional neuromuscular junctions in an engineered, multicellular spinal cord-muscle bioactuator(一種工程化多細(xì)胞脊髓肌肉生物激勵(lì)器中功能性神經(jīng)肌肉連接的發(fā)現(xiàn))為題，發(fā)表在了《APL生物工程》雜志上。

他們假設(shè)，一個(gè)完整的大鼠腰脊髓段可以與工程化的3D肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接，模擬周圍神經(jīng)系統(tǒng)的部分發(fā)育。且最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，大鼠脊髓能夠在離體之后與工程肌肉組織形成功能性神經(jīng)肌肉連接。下一步，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步完善自旋機(jī)器人的動(dòng)作，使它們的步態(tài)更自然。研究人員希望這種小范圍的脊髓整合是建立外周神經(jīng)系統(tǒng)體外模型的第一步，目前這在活體病人或動(dòng)物模型中是很難研究的。

這不是第一次人類取得突破性的機(jī)器人進(jìn)展，確實(shí)最近的一次人類在軟體機(jī)器人的突破。

1962年，美國(guó)Unimation公司的第一臺(tái)機(jī)器人Unimate在通用汽車(GM)公司投入使用，成為第一代機(jī)器人誕生的標(biāo)志。此后的半個(gè)世紀(jì)里，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。

而軟體機(jī)器人則是科學(xué)家為了使得機(jī)器人更像人的重點(diǎn)努力方向。隨著機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的多元化，逐漸提出"人機(jī)友好"的設(shè)計(jì)要求，傳統(tǒng)電機(jī)減速器等剛性驅(qū)動(dòng)技術(shù)雖可提供較大輸出力，容易設(shè)計(jì)具有高帶寬、高性能的力驅(qū)動(dòng)器，但其順應(yīng)性差，在"人機(jī)交互"時(shí)安全性不高。關(guān)注公眾號(hào)三〇智工，工科領(lǐng)域技能人才優(yōu)質(zhì)崗位一鍵推薦、智能制造企業(yè)人才招聘解決方案。但進(jìn)行脊髓等機(jī)器人執(zhí)行器設(shè)計(jì)主要考慮的是驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，柔性驅(qū)動(dòng)方式憑借其適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕、良好的人機(jī)交融等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療康復(fù)和服務(wù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。且隨著生物力學(xué)的發(fā)展，人體骨骼-肌肉結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性愈發(fā)引起重視，柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)和服務(wù)領(lǐng)域有著愈發(fā)廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于軟體機(jī)器人來(lái)說(shuō)，由于具備高安全性以及能與人類、惡劣環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)性交互，軟體機(jī)器人擁有了傳統(tǒng)剛性傳機(jī)器人難以具備的功能。比如，軟體機(jī)器人在執(zhí)行抓取作業(yè)時(shí)因其自身的柔軟性而能改變自身形態(tài)，對(duì)一些易碎品和不規(guī)則物體進(jìn)行抓取時(shí)，采取包裹形式抓取，不會(huì)損壞物體。

而運(yùn)動(dòng)，往往需要肌肉發(fā)力，氣動(dòng)人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一種，是科學(xué)家認(rèn)為機(jī)器人動(dòng)力的來(lái)源。人造肌肉即電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，是根據(jù)生物學(xué)原理由纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸這 3 種氨基酸按一定順序排列構(gòu)成，可在外加電場(chǎng)下通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，非常接近生物的肌肉纖維。

氣動(dòng)人工肌肉，從字面意思上理解就是，由外部的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)進(jìn)行推拉動(dòng)作的人造肌肉，具有柔順性、輕量性、綠色性等優(yōu)勢(shì)。這一材料重量輕（最小僅為 10g），卻能提供很大的力量，用“四兩撥千斤”來(lái)形容它再合適不過(guò)了。

氣動(dòng)人工肌肉往往用限制變形的支撐材料作為骨架，骨架內(nèi)部是可膨脹的氣囊（或類氣囊）結(jié)構(gòu)，通過(guò)氣囊的膨脹和收縮來(lái)執(zhí)行各種柔順的動(dòng)作，這種結(jié)構(gòu)繼承了氣動(dòng)元件的基本優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高柔性和良好的仿生特征等其他機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)所無(wú)法比擬的特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的柔性驅(qū)動(dòng)方式之一。

目前，按照人工氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)大致可分為類編織結(jié)構(gòu)、纖維類增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、彈性氣室結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)，當(dāng)然近來(lái)也有一些新的肌肉結(jié)構(gòu)。

類編織結(jié)構(gòu)型氣動(dòng)肌肉

20世紀(jì)50年代,美國(guó)原子物理學(xué)家Joseph L. McKibben設(shè)計(jì)出最早的氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，被稱為McKibben型PMA(Pneumatic Muscle Actuator)，如圖所示。一般而言，氣動(dòng)人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉動(dòng)作，其過(guò)程就像人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動(dòng)人工肌肉重量只有10g。

圖：McKibben型PMA （來(lái)源[2]）

而這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)其結(jié)構(gòu)為:內(nèi)層為橡膠管，橡膠管外面用纖維編織網(wǎng)套住,兩端用金屬挾箍密封。關(guān)注公眾號(hào)三〇智工，工科領(lǐng)域技能人才優(yōu)質(zhì)崗位一鍵推薦、智能制造企業(yè)人才招聘解決方案。當(dāng)向橡膠管內(nèi)腔充入壓縮氣體時(shí)，隨著內(nèi)腔氣體壓力上升,橡膠管沿徑向膨脹,膨脹的橡膠管撐起外層纖維編織網(wǎng),使得徑向膨脹力變?yōu)檩S向收縮力,其運(yùn)動(dòng)形式酷似生物肌肉，這種類編制結(jié)構(gòu)是人工氣動(dòng)肌肉應(yīng)用最多的形式。

此前，東京工業(yè)大學(xué)Giacometti機(jī)械臂便應(yīng)用了這種技術(shù)，主要由薄膜氣球、McKibben型氣動(dòng)肌肉、充氣導(dǎo)管以及提供氣源的基座組成。Giacometti 充氣臂利用人造肌肉產(chǎn)生的扭矩提供關(guān)節(jié)處的彎曲力，常規(guī)肌腱驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂需要充氣臂桿在非關(guān)節(jié)處提供高強(qiáng)度的抗彎力，以抵抗肌腱力避免發(fā)生形變，或者設(shè)計(jì)臂桿側(cè)壁結(jié)構(gòu)抵抗肌腱反作用力。

圖：Giacometti機(jī)械臂（來(lái)源[3]）

圖：Giacometti機(jī)械臂（來(lái)源[3]）

纖維類增強(qiáng)結(jié)構(gòu)型氣動(dòng)肌肉

在此基礎(chǔ)上，為了節(jié)省成本，又一種新的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)了，這是由哈佛大學(xué) Biodesign Lab實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)肌肉。該氣動(dòng)肌肉一側(cè)為固定材料，拉伸性能較差，但有良好的彎曲性能；另一側(cè)為可拉伸纖維，直接影響肌肉的彎曲性能。當(dāng)可拉伸纖維伸長(zhǎng)時(shí)，另一側(cè)固定材料不發(fā)生軸向變化，限制肌肉在該側(cè)的長(zhǎng)度，但纖維面軸向伸長(zhǎng)，導(dǎo)致肌肉回向固定材料側(cè)發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)，反之肌肉則會(huì)向纖維側(cè)發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)。

圖：纖維類增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（來(lái)源[4]）

彈性氣室結(jié)構(gòu)型氣動(dòng)肌肉

而為了提供更強(qiáng)大的動(dòng)力，哈佛大學(xué)Wyss Institute研究團(tuán)隊(duì)利用氣壓變化研制了一種新式氣動(dòng)肌肉[5]。這種形式的氣動(dòng)肌肉主要組成部分為可抽氣的密封氣室。當(dāng)密封氣室內(nèi)氣壓與外界大氣壓相同，相互之間不產(chǎn)生力時(shí)，肌肉處于放松狀態(tài)；當(dāng)抽出氣室中的空氣，外界大氣壓會(huì)對(duì)氣室產(chǎn)生作用力，使肌肉處于彎曲狀態(tài)。這種形式的氣動(dòng)肌肉彎曲能力直接與大氣壓力有關(guān)，導(dǎo)致其負(fù)載性能較弱，輸出力有限。

圖：彈性氣室結(jié)構(gòu)約束（來(lái)源[5]）

增強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)型氣動(dòng)肌肉

美國(guó)哈佛大學(xué)利用爆燃原理研制了一款增強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)氣動(dòng)肌肉，如圖5所示。該種肌肉主要部分為增強(qiáng)彈性材料制成的氣室。與彈性氣室結(jié)構(gòu)不同的是，在增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)氣室中進(jìn)行甲烷的燃燒，利用甲烷爆燃產(chǎn)生沖擊力實(shí)現(xiàn)肌肉的跳躍運(yùn)動(dòng)。該種結(jié)構(gòu)無(wú)需充氣設(shè)備，能夠提供較大作用力，但由于是爆燃產(chǎn)生的沖擊力，該種肌肉難以實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖：增強(qiáng)彈性結(jié)構(gòu)約束（來(lái)源哈佛大學(xué)Bi）

2000 年 FESTO 公司推出了仿生氣動(dòng)肌腱系列化產(chǎn)品，并提供了相應(yīng)的應(yīng)用解決方案，標(biāo)志著氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，它已正式成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)執(zhí)行元件。氣動(dòng)人工肌肉良好的仿生特征決定了其在機(jī)器人領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，其發(fā)展與機(jī)器人技術(shù)息息相關(guān)，兩者結(jié)合可使機(jī)器人完成更多的類人操作。

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2019 年 7 月，MIT 科研團(tuán)隊(duì)還在 Science 發(fā)表論文，介紹了他們利用 2 種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體制成的新型人造肌肉，這種人造肌肉一經(jīng)加熱，便可自由伸縮，提起比其自身重 650 倍的物體。這一研究也登上了當(dāng)期 Science 封面。

這種纖維可以用作機(jī)器人，義肢，其他機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的人造肌肉，也可用于微小的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如通過(guò)進(jìn)入動(dòng)脈然后被激活的醫(yī)療機(jī)器人。極輕的重量再加上對(duì)刺激很好的反饋里都讓它從眾多材料中脫穎而出，同時(shí)這種纖維還可以被捆綁在一起使用，就像肌肉細(xì)胞在人體內(nèi)的情況一樣，如此一來(lái)載荷效果更佳。

近日，國(guó)際著名期刊 Soft Robotics 刊登了哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團(tuán)隊(duì)的共同研究成果，題為 Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk（受象鼻啟發(fā)的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動(dòng)人工肌肉）。上述研究團(tuán)隊(duì)受到象鼻的啟發(fā)，基于氣動(dòng)人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），也研制出了一種新型柔性軟體機(jī)器人。

實(shí)際上，人造肌肉材料已成為當(dāng)今研究的前沿和熱門，這與人們對(duì)柔性機(jī)器人領(lǐng)域越來(lái)越多的關(guān)注密不可分。柔性機(jī)器人可具備的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，以及良好的人機(jī)互動(dòng)性。正如香港科技大學(xué)機(jī)器人研究院院長(zhǎng)、機(jī)械及航空航天工程學(xué)系教授王煜在 2018 年世界機(jī)器人大會(huì)上所說(shuō)：

不過(guò)，想要完美地同時(shí)兼具上述幾種特性，還有很多技術(shù)上的難題，目前研究人員們也正在尋求一個(gè)突破口，比如中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜團(tuán)隊(duì)考慮了室溫液態(tài)金屬在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用；MIT 研究人員曾用 3D 打印、液壓驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

雖然現(xiàn)階段柔性機(jī)器人領(lǐng)域仍比較“概念化”，但其應(yīng)用前景廣泛，未來(lái)必將會(huì)帶來(lái)新的變革。