工程师研制出机器人用自修复肌肉组织

工程师埃里克·马克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊森·克林斯（Ethan Krings）和帕特里克·麦克马尼格尔（Patrick McManigal）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了一篇论文。该论文提出了一种系统级方法，用于开发一种软体机器人技术，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。

该论文是从1,606篇投稿中入选ICRA 2025最佳论文奖决赛的39篇论文之一。它同时也入围了最佳学生论文奖决赛以及机构与设计类别的决赛提名。

该团队的策略可能有助于克服软体机器人系统开发中长期存在的难题，这些系统借鉴了自然启发的设计原理。

"在我们的研究领域内，存在着巨大的驱动力，旨在使用软材料复制传统刚性系统，并大力推动仿生学的发展，"Robert F.和Myrna L. Krohn生物医学工程助理教授马克维卡表示。"虽然我们已经能够制造出具有柔性和贴合性的可拉伸电子设备和执行器，但它们通常无法像生物体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愈人工肌肉，采用多层架构设计。该架构使得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。

"人体和动物是惊人的。我们可能会被割伤、擦伤，甚至遭受相当严重的损伤。在大多数情况下，只需外部有限地应用绷带和药物，我们便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设备和机器的思考方式。"

团队的"肌肉"——或称执行器（机器中将能量转化为物理运动的部分）——包含三层结构。底层为损伤检测层，是一种柔软的电子皮肤，由嵌入硅树脂弹性体中的液态金属微滴组成。该皮肤粘附于中间层，即自愈层，由硬质热塑性弹性体构成。顶层是驱动层，当水压加压时，它会启动肌肉运动。

修复过程开始时，团队在肌肉底部"皮肤"层上施加五路监测电流，该层连接着一个微控制器和传感电路。该层遭受的穿刺或压力损伤会触发导线之间形成新的导电网络。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导电网络的电流。

这使得该网络能够充当局部焦耳加热器，将电流能量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的热塑性层，从而密封损伤——实现有效的伤口自愈合。

最后一步是通过消除底层损伤产生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——一种电流引起金属原子迁移的过程。该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，导致设备故障和断裂。

在一项重大创新中，研究人员利用电迁移解决了长期困扰其创建自主自愈系统的难题：底层损伤诱发的导电网络看似具有永久性。若无法重置基线监测导线，系统就无法完成超过一次的损伤-修复循环。

研究人员意识到，电迁移凭借其物理分离金属离子并触发开路故障的能力，可能正是消除新形成导线的关键。该策略奏效了：通过进一步增大电流，团队能够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。"它是阻碍电子设备微型化的瓶颈之一。我们在此以一种独特且真正积极的方式利用了它。我们首次不是试图阻止其发生，而是主动利用它来消除我们过去认为永久存在的导线。"

自主自愈技术具有革新众多行业的潜力。在内布拉斯加等农业州，对于经常遭遇树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统而言，它可能是一大福音。它同样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，每年导致数十亿磅的电子垃圾。这些废物含有铅和汞等毒素，威胁人类和环境健康。自愈技术有助于遏制此趋势。

"如果我们能开始创造出能够合格地、自主地检测损伤何时发生，并启动这些自我修复机制的材料，那将是真正变革性的。"马克维卡说。