工程师研发出机器人用自愈合肌肉组织

工程师埃里克·马克维卡与研究生伊森·克林斯和帕特里克·麦克马尼格尔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，提出一种软体机器人技术的系统级解决方案。该技术能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，同时入围最佳学生论文奖决赛及机构与设计类别奖项。

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——这类系统需引入仿生设计原理。

罗伯特·F·克罗恩与米尔娜·L·克罗恩生物医学工程助理教授马克维卡表示："学界正大力推进使用柔性材料复制传统刚性系统，同时掀起仿生学研究热潮。虽然我们已能制造具有延展性的柔性电子设备和执行器，但其在响应损伤并启动自修复方面往往无法真正模拟生物特性。"

为填补这一空白，其团队开发出具备多层结构的智能自愈人工肌肉系统。该系统能自主识别损伤位置，并在无需外部干预的情况下启动自修复机制。

"人体与动物的自愈能力令人惊叹。我们遭遇割伤淤青甚至严重创伤时，通常仅需简单外用绷带药物即可实现自愈。若能在合成系统中复现这种能力，将彻底变革电子设备与机械工程领域的发展范式。"马克维卡解释道。

该团队研发的"肌肉"——即执行器（将能量转化为物理运动的机器人部件）采用三层结构：底层为损伤检测层，由液态金属微滴嵌入硅橡胶制成的柔性电子皮肤；中间层是作为自愈组分的硬质热塑性弹性体；顶层为驱动层，通过水压启动肌肉运动。

系统启动时，团队在连接微控制器与传感电路的底层"皮肤"上施加五路监测电流。该层遭受穿刺或压力损伤时，会触发导电通路间的电网形成。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电网的电流。

该电网因此成为局部焦耳热效应发生器，将电能转化为损伤区域热能。数分钟后，热量熔融中间热塑性层使其重塑，从而密封创口实现有效自愈。

最终环节需消除底层损伤电信号痕迹以重置系统。团队创新性利用电迁移效应——电流驱动金属原子迁移的现象。传统金属电路中，原子迁移会导致材料变形形成间隙引发设备故障，因此该效应通常被视为障碍。

研究人员突破性地运用电迁移解决自主自愈系统的核心难题：损伤在底层形成的电网具有永久性。若无法重置基线监测通路，系统仅能完成单次损伤修复循环。

团队发现电迁移能物理分离金属离子引发开路故障，可能成为消除新形成通路的关键。该策略成功奏效：通过增强电流诱发电迁移与热失效机制，损伤检测网络得以重置。

"电迁移通常被视为重大缺陷，是阻碍电子设备微型化的瓶颈之一。"马克维卡强调，"我们在此开创性地将其转化为独特优势。首次主动利用该效应消除过去认为永久存在的电路痕迹，而非试图阻止其发生。"

自主自愈技术有望颠覆多领域发展。在内布拉斯加等农业州，频繁遭遇树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物的机器人系统将显著受益。该技术还将革新需承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

此项技术将更广泛惠及社会。消费类电子产品寿命普遍仅1-2年，导致全球每年产生数十亿磅电子垃圾。含铅汞等有毒物质的废弃物严重威胁人类健康与生态环境，自愈技术或可缓解此危机。

"若能创造可自主检测损伤并启动自愈机制的材料，必将带来革命性突破。"马克维卡总结道。