工程师研发出机器人用自愈人造肌肉

工程师埃里克·马尔克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊桑·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（ICRA）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。

该论文是从提交的1606篇稿件中脱颖而出的39篇ICRA 2025最佳论文奖决赛入围论文之一。它还入围了最佳学生论文奖以及机构和设计类别的决赛。

该团队提出的策略可能有助于克服在开发借鉴自然启发设计原理的软体机器人系统方面长期存在的难题。

“在我们的研究领域（软体机器人），有两大趋势：一是大力推动使用软材料复制传统的刚性系统，二是大力推进仿生学，”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尔克维卡表示。“虽然我们已经能够制造出具有延展性、柔软且贴合性好的电子设备和致动器，但它们通常无法模仿生物体在响应损伤并启动自我修复方面的能力。”

为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能、自愈的人工肌肉。该人工肌肉采用多层结构，使系统能够在无需外部干预的情况下识别和定位损伤，然后启动自我修复机制。

“人体和动物非常了不起。我们会被割伤、擦伤，甚至遭受相当严重的伤害。在大多数情况下，仅需辅以有限的外部处理，如使用绷带和药物，我们就能自愈许多伤势，”马尔克维卡说。“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（软体机器人）的面貌，并改变我们对电子设备和机器的思维方式。”

该团队的“肌肉”——或称致动器（机器中将能量转化为物理运动的部分）——由三层构成。底层是损伤检测层，它是一层柔软的电子皮肤，由嵌入硅胶弹性体基质中的液态金属微滴组成。这层皮肤粘合在中间层——自愈合部件上，该层是一种刚性的热塑性弹性体。最上面是致动层，当注入水压时，该层会启动肌肉的运动。

修复过程开始时，研究团队在肌肉底部的“皮肤”上施加五条监测电流，该层连接着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路。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路的电流。

这使该导电网路能够充当局部焦耳加热器，将电流的能量转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，此热量熔化并重新处理中间的热塑性层，从而密封损伤——有效地实现了伤口自愈。

最后一步是通过消除底层损伤的电信号特征，将系统重置回原始状态。为此，马尔克维卡的团队利用了电迁移效应。电迁移是一种电流导致金属原子迁移的过程。这种现象传统上被视为金属电路中的阻碍，因为迁移的原子会使材料变形并在电路中产生间隙，导致器件故障和断裂。

在一项重大创新中，研究人员利用电迁移来解决长期困扰他们创建自主自愈系统的难题：底层中损伤诱导形成的导电网路似乎具有永久性。若无法重置基线监测导线，系统就无法完成多个损伤-修复循环。

研究人员想到，电迁移——凭借其物理分离金属离子并触发开路故障的能力——可能是擦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，”马尔克维卡说。“它是阻碍电子产品小型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特且非常积极的方式利用它。我们不是试图阻止它发生，而是首次利用它来擦除我们过去认为具有永久性的痕迹。”

自主自愈技术有潜力彻底改变许多行业。在内布拉斯加州这样的农业州，对于经常接触树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统来说，这可能是一大福音。它也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使用寿命仅有一到两年，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。自愈技术可能有助于遏制这股浪潮。

“如果我们能够开始创造一些材料，它们能够在损伤发生时令人满意且自主地检测到，并启动这些自我修复机制，那将真正具有变革性，”马尔克维卡总结道。