工程师开发出机器人用自修复人造肌肉

工程师埃里克·马克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊森·克里格斯（Ethan Krings）和帕特里克·麦克马尼加尔（Patrick McManigal）近期在佐治亚州亚特兰大举行的IEEE机器人与自动化国际会议上发表了一篇论文，提出了一种系统级的软体机器人技术方案。该技术能够识别由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。

该论文从1606篇投稿中脱颖而出，成为入选ICRA 2025最佳论文奖决赛的39篇论文之一，同时也入围了最佳学生论文奖以及机构与设计类奖项的决赛名单。

该团队的策略有望帮助解决软体机器人系统开发中长期存在的难题，这类系统采用了受自然启发的设计理念。

"在我们的研究领域，存在两大重要趋势：一是利用软性材料复制传统刚性系统，另一方面是大力推动仿生学研究，"罗伯特·F·克罗恩与迈尔纳·L·克罗恩生物医学工程助理教授马克维卡表示。"尽管我们已经能够制造出柔软且贴合式的可拉伸电子器件和致动器，但它们通常无法像生物那样具备响应损伤并启动自我修复的能力。"

为填补这一空白，他的团队开发了一种智能自修复人造肌肉。该结构采用多层架构，使系统能够识别并定位损伤，随后启动自我修复机制——整个过程无需外部干预。

"人体和动物的自愈能力令人惊叹。我们可能遭受割伤、淤青甚至严重创伤，但在大多数情况下，仅需敷用绷带和药物等有限的外部治疗，就能实现多种损伤的自愈，"马克维卡解释道。"若能在合成系统中复现这种能力，将彻底变革该领域以及我们对电子设备和机械的认知。"

团队研发的"肌肉"——即致动器（机器人中将能量转化为物理运动的核心部件）——由三层构成。底层为损伤检测层，是一种由液态金属微滴嵌入硅树脂弹性体制成的软电子皮肤。该皮肤层黏附于中间的自愈合组件层（一种硬质热塑性弹性体）。顶层是致动层，当水压驱动时即可激活肌肉运动。

在启动过程中，研究团队在肌肉底层的"皮肤"上施加五路监测电流，该层连接着微控制器和传感电路。对此层的穿刺或压力损伤会在电路走线间形成新的导电网。系统将该电信号特征识别为损伤证据，随后增强流经新生导电网络的电流强度。

这使得该网络可充当局部焦耳加热器，将电能转化为损伤区域周围的热量。数分钟后，热量将融化并重塑中间的热塑性材料层，从而密封损伤——实现对伤口的有效自修复。

最后一步是通过消除底层损伤的电信号特征将系统复位至初始状态。为此，马克维卡团队创新性地利用了电迁移效应——电流驱动金属原子迁移的物理过程。传统上该现象被视为金属电路中的不利因素，因为原子迁移会导致材料变形并在电路中产生间隙，引发设备故障与断裂。

这项重大创新在于：研究人员利用电迁移解决了长期阻碍构建自主自修复系统的难题——底层损伤感应网络看似永久存在的导电通路。若无法重置基线监测走线，系统仅能完成单次损伤修复循环。

研究人员敏锐意识到：凭借其物理分离金属离子并引发开路失效的特性，电迁移可能成为消除新生导电路径的关键。该策略成效显著：通过进一步增强电流，团队成功诱导电迁移和热失效机制，实现了损伤检测网络的重置。

"电迁移通常被视为严重缺陷，"马克维卡指出，"它是阻碍电子器件微型化的瓶颈之一。但在此我们将其应用于独特且极具建设性的场景——有别于传统防阻思路，我们首次利用该效应来消除曾被认为永久存在的导电路径。"

自主自愈技术有望在多行业引发革命。在内布拉斯加州等农业大州，该技术将使频繁接触树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统获得革命性提升。它同样能变革必须承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

该技术也将更广泛惠及社会。当前消费类电子产品寿命普遍仅一至两年，导致全球每年产生数十亿磅电子垃圾。这些废弃物所含的铅、汞等有毒物质严重威胁人类健康与环境安全。自愈技术有望遏制这一趋势。

"如果我们能开始创造这样的材料：它们可以合格地自主感知损伤发生，并主动触发自我修复机制——这将是真正的变革性突破。"马克维卡总结道。