工程师开发出机器人用自修复肌肉组织

工程师埃里克·马克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊桑·克林斯（Ethan Krings）及帕特里克·麦克马尼格尔（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论文，提出了一种软体机器人技术的系统级解决方案。该技术能识别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，同时入围最佳学生论文奖及机构与设计类奖项。

该团队的研究策略有望解决软体机器人系统开发中长期存在的难题，这类系统普遍采用受自然启发的设计原理。

"我们领域正大力推动用软材料替代传统刚性系统，并掀起仿生学研究热潮，"罗伯特·F.与迈尔纳·L.克罗恩生物医学工程助理教授马克维卡表示，"虽然我们已经开发出可拉伸的柔性电子设备和贴合性致动器，但它们往往无法像生物体那样具备损伤响应与自主修复能力。"

为填补这一空白，其团队研发出一种智能自愈人工肌肉系统。该系统采用多层架构设计，可在无外部干预条件下实现损伤识别定位并触发自修复机制。

"人体与动物具有惊人的自愈能力。我们遭受割伤、瘀伤甚至严重创伤后，在仅使用绷带药物等有限外部处理的情况下，多数损伤都能自主愈合，"马克维卡解释道，"若能在人造系统中复现这种能力，将彻底变革电子与机械领域的发展范式。"

该团队研发的"肌肉"（即致动器——将能量转化为物理运动的机器人部件）包含三层结构：底层为损伤检测层，由嵌入硅酮弹性体的液态金属微滴构成柔性电子皮肤；该皮肤与中层自愈组件粘合，后者为刚性热塑性弹性体；顶层是致动层，遇水压时触发肌肉运动。

系统启动时，团队在肌肉底层"皮肤"通入五路监测电流，这些电流连接至微控制器与传感电路。该层遭受穿刺或压力损伤时，会在电路轨迹间形成导电网络。系统将此电信号特征识别为损伤证据，随即增强流经新形成网络的电流。

该网络随即转变为局部焦耳热效应器，将电能转化为损伤区域热能。数分钟内，热量熔融并重塑中层热塑性材料，实现创口密封——高效完成自愈修复。

最终环节需通过消除底层损伤电信号痕迹来重置系统。为此团队创新利用电迁移效应——电流驱动金属原子迁移的物理过程。传统观念中电迁移被视为金属电路的缺陷，因其引起的原子位移会导致材料变形及电路断裂。

研究者突破性地运用电迁移解决关键难题：底层损伤电路网络的持久性曾阻碍自主自愈系统的研发。若无法重置监测基线轨迹，系统仅能完成单次损伤修复循环。

团队意识到电迁移特性——分离金属离子并触发开路故障——可能成为消除新生电路轨迹的关键。该策略成效显著：通过增强电流诱导电迁移及热失效机制，成功重置了损伤检测网络。

"电迁移通常被视为重大技术障碍，"马克维卡指出，"它是阻碍电子器件微型化的瓶颈之一。而我们在此创新性地将其转化为优势。与其阻止该效应，我们首次利用它来消除原本认为永久存在的电路轨迹。"

自主自愈技术有望颠覆多个产业。在内布拉斯加等农业州，频繁接触树枝、荆棘、塑料与玻璃等尖锐物的机器人系统将显著受益。该技术同样能革新需承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

此项技术具有更广泛的社会效益：当前消费电子产品寿命仅1-2年，导致全球每年产生数十亿磅电子垃圾。这些含铅汞等有毒物质的废弃物严重威胁人类与环境健康，而自愈技术有望遏制此趋势。

"若能创造出可自主检测损伤并触发修复机制的材料，将引发真正的技术变革，"马克维卡强调道。