工程师开发出可自我修复的机器人肌肉

工程师埃里克·马克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊桑·克里斯（Ethan Krings）和帕特里克·麦克马尼加尔（Patrick McManigal）最近在美国佐治亚州亚特兰大举行的IEEE机器人与自动化国际会议（ICRA）上发表了一篇论文，提出了一种面向软体机器人技术的系统级方法。该技术能够识别因穿刺或极端压力造成的损伤，精确定位损伤位置，并自主启动自我修复。

这篇论文从1606篇投稿中脱颖而出，成为ICRA 2025最佳论文奖的39篇决赛入围作品之一。它同时也是最佳学生论文奖以及机构与设计类别的决赛入围作品。

该团队提出的策略可能有助于克服在开发采用自然启发设计原理的软体机器人系统时面临的一个长期难题。

“在我们的研究领域，存在一股强大的推动力，致力于使用柔性材料复制传统的刚性系统，同时也有一个巨大的仿生运动浪潮，”生物医学工程Robert F. and Myrna L. Krohn助理教授马克维卡表示。“虽然我们已经能够制造出柔软且贴合的可伸展电子器件和驱动器，但它们通常无法模仿生物体响应损伤并启动自我修复的能力。”

为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能的自愈人工肌肉，采用多层架构，使系统能够识别和定位损伤，然后启动自愈机制——整个过程无需外部干预。

“人体和动物是神奇的。我们可能会被割伤、碰伤甚至遭受相当严重的伤害。在大多数情况下，只需外部有限地使用绷带和药物，我们就能自我愈合许多损伤，” 马克维卡说。“如果我们能在合成系统中复制这种能力，那将真正改变该领域以及我们对电子器件和机器的思维方式。”

该团队的“肌肉”——或者说驱动器（机器人中将能量转化为物理运动的部分）——有三层。底层是损伤检测层，是一种柔软电子皮肤，由嵌入硅橡胶基体中的液态金属微滴构成。该皮肤粘附在中间层——自愈层——上，后者是一种硬质热塑性弹性体。最上层是驱动层，当受到水压作用时，它启动肌肉的运动。

该过程开始时，研究团队在肌肉底层“皮肤”上施加五路监测电流，该皮层连接至微控制器和传感电路。该层受到的穿刺或压力损伤会触发导线之间形成新的电气网络。系统将此电信号特征识别为损伤证据，随后增加流经新形成电气网络的电流。

这使得该网络能够充当局部焦耳加热器，将电能转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，该热量熔化并重塑中间热塑性层，从而封闭损伤处——有效地实现伤口自愈。

最后一步是通过消除底层损伤的电信号特征，将系统重置回原始状态。为此，马克维卡的团队利用了电迁移效应，这是一种电流导致金属原子迁移的过程。这种现象传统上被视为金属电路的障碍，因为移动的原子会使电路材料变形并产生间隙，导致器件故障和断裂。

在一项重大创新中，研究人员利用电迁移来解决一个长期困扰其创建自主自愈系统努力的问题：底层损伤诱导电气网络看似永久性的存在。若无法重置基线监测导线，该系统就无法完成超过一次的损伤-修复循环。

研究人员想到，电迁移——凭借其物理分离金属离子并引发开路故障的能力——可能是擦除新形成导线的关键。该策略奏效了：通过进一步增强电流，团队可以诱导电迁移和热失效机制，从而重置损伤检测网络。

“电迁移通常被视为巨大的负面因素，” 马克维卡说。“它是阻碍电子器件微型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特且真正积极的方式利用它。我们不是试图阻止其发生，而是首次利用它来擦除那些我们曾经认为是永久性的导线。”

自主自愈技术有潜力彻底改变众多行业。在内布拉斯加州等农业州，对于经常遇到树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统来说，这可能是一大福音。它也可能彻底改变必须承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

该技术也将更广泛地造福社会。大多数消费类电子产品的寿命仅为一到两年，每年造成数十亿磅的电子垃圾。这些废弃物含有铅和汞等毒素，威胁人类和环境健康。自愈技术可能有助于遏制这股浪潮。

“如果我们能开始创造出能够在损伤发生时以过得去且自主的方式检测到，然后启动这些自愈机制的材料，那将真正是具有变革性的，” 马克维卡说。