机器人“增肌”不靠蛋白粉，人造肌肉了解一下？

图片来源：视觉中国

在人体的种种组织中，肌肉是其中的关键一类。肌肉的体积不仅仅关系着人的外表，在日常活动时肌肉收缩牵引骨骼进行关节运动时，还起到了重要的杠杆作用。

也就是说，我们这个物种之所以能用两只小脚稳定住庞大身躯、灵活运动还能搬运沉重的物品，很大一部分原因来自于我们身上复杂的肌肉结构。

那么，这样的结构可以被复制到机器人领域吗？

机器人的肌肉，应该是由什么组成的？

目前主导机器人运动的一般都是液压、电机这些传统的供能形式，将电磁能进行能量传导进行运动，简单回忆一下挖掘机这一类大型机械的运作方式，就能想象到今天的机器人是如何工作的。

我们在物理课本上都学过，能量转换是有一定效率的，易用能量产生转换、难用能量在转换过程中消失。相比机械能和电能的互相转换，生物肌肉的能量来源是化学能，能量转换效率更高。

这也一定程度上造就了生物肌肉的特质：强大的拉力（每平方厘米约有5Kg）、灵活的伸缩性（收缩和伸长比率达到60%）以及极大的耐用性和自我修复能力。

相较之下，那些沉重的、僵硬的、还需要经常修理的机械简直是弱爆了。于是从上个世纪40年代以来，科学家们一直在进行人造肌肉方面的研究，试图将肌肉组织的优势应用到机械设备中去。

目前人造肌肉的形式大概有以下几种。

• 气动类

气动人工肌肉可以说是人造肌肉里最为简单廉价的一种了，想象以下，在自己手臂下放置一个气球，通过气球不断充气，手臂自然也被气球胀大的体积抬起来了。

气动类人工肌肉就是通过柔性材料模仿肌肉组织，加上气压的驱动来模仿肌肉的柔软、灵活和轻便。

MIT就曾推出过一种可压缩软骨架+密封袋+气体/流体介质的人造肌肉，模仿折纸结构的弹性发力，能够提起比装置本身重1000倍的东西。

• 智能材料类

智能材料包括很多种，例如可以通过高压静电驱动的电活化聚合物，或者能够通过环境温度变化而伸缩的凝胶等等。我们可以理解成一块橡胶被包裹在液体之中，通过液体温度的改变而产生热胀冷缩。

科罗拉多大学博尔德分校的科研学者们就研究出了这样一种材料装置HASEL，利用廉价的塑料制品填充绝缘液体，再连接上电极，就可以在电压通过时做出动作。在实验中，这种柔软的材料有69%的拉伸度（这个数字已经很接近生物肌肉了），并且能轻柔的抓起树莓、生鸡蛋这些脆弱的物体，不会像机械装置那样对物体产生破坏。而且这种材料非常廉价，制造一个能抓起鸡蛋的HASEL只需要10美分。

• 人工培养类

但论起丧心病狂来，还要看日本科学家。最近有新闻称，日本东京大学等团队研发出了世界上第一个生物肌肉机器人。附着在树脂骨骼之外的并不是气囊或凝胶，而是在培养皿中利用小鼠骨骼肌细胞培养出来的“真·肌肉组织”。

在电流的刺激下，单侧肌肉可以进行收缩运动，带动关节进行弯曲。从而可以勾起一些物品。不过因为涉及到生物组织培养，这种人造肌肉的造价会十分昂贵，同时会发生肌肉僵直等问题，目前还属于试验性质。

• 谜之材料类

剩下的就用各种各样稀奇古怪的材料模仿肌肉组织的构成，然后利用热能、电能等等形式发力了。

例如德克萨斯大学的纳米科技专家利用“纺线”的形式把纳米纤维导管组成肌纤维，再在纤维导管中加入石蜡导热，通过石蜡的热胀冷缩促使肌肉运动。除了纳米纤维之外，还有记忆合金丝、压电陶瓷等等各种各样稀奇古怪的材料。但这些材料大多只能保证伸缩性，却不能保证效能和成本。

哪些机器人已经长出肌肉了？

虽然关于人造肌肉的研究很多，但我们目前一般只能在两个领域见到人造肌肉在机器人身上的应用。

一类是机械外骨骼。
气动人造肌肉凭借材料轻便、柔软舒适两大优势成为了机械外骨骼中最受欢迎的动力装置。

但问题是气动人造肌肉的动力源并不便于携带和移动，也不能像电力驱动那样通过充电来增强便携性。这就导致气动人造肌肉驱动的机械外骨骼提供的动力和使用场景总要有所局限，比如固定在某一地点使用，或者仅仅在手部、腿部等部位进行小规模应用。

但即使如此，气动人造肌肉也已经有很高的实用性了。比如可以在快递小哥短距离搬运物体时进行支撑，或者作为手部、腿部康复设备使用。

另一类则是软体机器人。

为了保证灵活性和伸缩性，人造肌肉应用的柔软材料和软体机器人不谋而合，甚至应该说正是因为有人造肌肉的研究进展，软体机器人的出现和应用才能成为可能。

机器人的应用场景分为两种，一种是结构化场景，例如工业生产。我们已经知道了机械手和车床之间的所有距离数据，可以实现精准控制。另一种则是非结构化场景，比如复杂空间的勘探。我们所掌握的数据很少，无法进行精准控制，这时柔软灵活的机器人在行动时就拥有更多优势。

不过目前软体机器人如果单纯靠人造肌肉驱动也会有很多问题，比如电极连通材料或温度变化影响材料的控制精密度都有限，一个只会胀大缩小的机器人在实际应用时用处都不大。很多时候还是要依靠机械装置和人造肌肉一齐驱动。

有肌肉的机器人……可能离我们还很远

其实我们很难在机器人身上看到人造肌肉应用的最关键原因，还是因为我们现在需要的是精密的机械控制。

机械手严密的按照每一个步骤进行工作、扫地机器人会为自己设定下严格的行进路线……换句话说，现在的机器人还是太不智能了，几乎没有容错机制，自然也应用不上人造肌肉灵活弹性的优点。即使今天深度学习有所发展，大多也是通过高频高效的计算来给机器人输出灵活而严密的指令。

不过有趣的是，当初容错性较高的模糊控制理论之所以没能很好的发展，一部分原因就是机械驱动和金属材料在模糊控制下容易出现事故。

相信未来随着模糊控制理论的发展，未来我们也许会允许一个小机器人在房间里四处乱转来熟悉环境，人造肌肉就会派上用场。

当然，目前人造肌肉本身的造价、工作效率、控制能力尤其是工业化程度也比不上机械驱动。或许未来当人造肌肉逐渐走出实验室，总有一天钢铁和塑料不再会是机器人的全部。

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