工程师研发出机器人用自修复肌肉材料

工程师埃里克·马克维卡与研究生伊森·克林斯、帕特里克·麦克马尼格尔最近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。

这篇论文从1606篇投稿中脱颖而出，成为ICRA 2025最佳论文奖39篇入围作品之一，同时入围最佳学生论文奖和机构设计类别奖项。

该团队提出的策略有望解决软体机器人系统开发中长期存在的难题——如何将仿生设计理念真正融入工程实践。

"我们领域正大力推动用柔性材料复刻传统刚性系统，并掀起生物仿生研究热潮，"生物医学工程系罗伯特·F·克罗恩与迈尔纳·L·克罗恩助理教授马克维卡表示，"虽然我们已经能制造可拉伸电子器件和柔性致动器，但它们仍缺乏生物体感知损伤并启动自修复的能力。"

为突破这一局限，其团队开发出具有多层结构的智能自修复人工肌肉系统，可在无外部干预情况下实现损伤识别、定位及自修复机制激活。

"人体和动物具有惊人的自愈能力。我们遭遇割伤、瘀伤甚至严重创伤时，通常仅需简单包扎和药物辅助就能自我修复，"马克维卡解释道，"若能在人工系统中复现这种能力，将彻底改变电子设备和机械系统的设计范式。"

该"人工肌肉"（即机器人中将能量转化为机械运动的致动器）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基质形成的柔性电子皮肤；中间层是刚性热塑性弹性体构成的自修复组件；顶层为致动层，通过水压驱动产生肌肉运动。

系统启动时，研究团队在连接微控制器传感电路的底层"皮肤"上施加五路监测电流。当该层遭受穿刺或压力损伤时，损伤区域会形成新的导电路径。系统通过识别这种电学特征判断损伤状态，随即增强新生导电路径的电流。

该电流使导电路径转化为局部焦耳加热器，将电能转化为损伤区域周围的热能。数分钟后，热量会熔化中间热塑性层使其重新流动，从而密封损伤部位实现自修复。

最后阶段需消除底层损伤形成的电学痕迹以重置系统。为此团队创新性利用了电迁移效应——传统上被视为金属电路缺陷的物理现象，即电流导致金属原子迁移形成材料变形和电路断裂。

这项突破性研究首次将电迁移转化为解决方案：通过增强电流诱发电迁移和热失效机制，成功清除了损伤监测网络中"永久性"的导电路径，使系统能进行多轮损伤-修复循环。

"电迁移通常被视为电子器件微型化的主要障碍，"马克维卡强调，"但我们开创性地将其转化为优势。不是设法阻止该现象，而是主动利用它来消除过去认为不可逆的电路痕迹。"

这项自主自修复技术将带来行业变革：在内布拉斯加等农业州，可提升机器人应对树枝、荆棘等尖锐物的能力；在可穿戴健康监测领域，能显著增强设备耐用性。

该技术还具有更广泛的社会效益。目前消费电子产品平均寿命仅1-2年，每年产生含铅、汞等有毒物质的电子垃圾达数十亿磅。自修复技术有望从源头缓解这一环境危机。

"如果能创造出可自主感知损伤并触发修复机制的智能材料，将带来真正的技术革命。"马克维卡总结道。