鍛造機械“大力士”

最近熱映的《環(huán)太平洋》《極樂空間》等美國科幻大片中有個共同的亮點，就是運用光影結(jié)合，甚至3D視覺的沖擊下，充分演繹“人機合體術(shù)”所向披靡、無堅不摧的魄力，令觀眾對其中的超級機器人嘆為觀止。

欣賞之余，人們不禁好奇，現(xiàn)在日新月異的科學(xué)技術(shù)將如何為鍛造“大力士”超級機器人鋪平道路呢？

人造肌肉獲進(jìn)展

在現(xiàn)實生活中，我們已經(jīng)能夠感受到類似人機合體的初步體驗。比如當(dāng)人們自駕時，能夠體會到與汽車、小型汽艇、飛機合二為一的輕松之感；在建筑工地上，起重機將操作員肢體的力量增強了許多倍；心臟起搏器、耳蝸助聽器、金屬骨骼等也早被植入人體內(nèi)，輔助加強相關(guān)機能。當(dāng)然，這些與科幻作品中的“人機合體”相比還有著質(zhì)的差異，但也足以說明“人機合體術(shù)”并非空穴來風(fēng)、無源之水。

人造肌肉在機器人技術(shù)發(fā)展中至關(guān)重要。其研究始于20世紀(jì)40年代，但真正取得進(jìn)展則是最近十余年，這是由于特殊聚合體材料和智能材料的誕生，例如電活化聚合物EPAs，為研究提供了新的發(fā)展契機。這些新材料往往具有一些不同凡響的本領(lǐng)，有的可以根據(jù)電流變化呈現(xiàn)出各種復(fù)雜的狀態(tài)，如彎曲、延伸、扭動和收縮等，并且其行為非常接近真正的肌肉纖維。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，新加坡國立大學(xué)（NUS）工程學(xué)院的一個研究團隊創(chuàng)建出高效的人工或“機械”肌肉，可以舉起超過自身體重80倍的重量，以及能夠在其承載負(fù)荷時延展至原來長度的5倍。此外，這種新型人造肌肉可以潛在地轉(zhuǎn)換并儲存能量，在短時間的充電后幫助機器人激活自身。

顯然，這樣的發(fā)明將為建造超人實力和能力、栩栩如生的機器人夯實基礎(chǔ)。

如何突破局限性

目前，無論機器人多么智能化，都會受其肌肉力量的限制，只能夠舉起自身重量的一半負(fù)載，約相當(dāng)于人類的平均強度（盡管有些人可以舉起超過其體重高達(dá)3倍的負(fù)載）。已知的是人造肌肉在同樣的壓力下只可以延伸到其原始長度的三倍。而肌肉擴展的程度對于肌肉效率而言是一個有意義的因素，因為這意味著在搬運重物時可以執(zhí)行更廣泛的操作范圍。

自2012年7月以來，NUS工程科學(xué)計劃和土木及環(huán)境工程學(xué)系的阿德里安博士帶領(lǐng)一支多學(xué)科研究團隊，設(shè)計和創(chuàng)建新的超級人工肌肉。他介紹說：“我們的材料模仿人類的肌肉，快速響應(yīng)的電脈沖以急動的方式移動機器人，而不是慢慢地由以往采用的液壓技術(shù)驅(qū)動作用機制。想像一下，這種人工肌肉在幾分之一秒內(nèi)的反應(yīng)是柔韌的、可擴展的，猶如一個人的舉動。配備了這樣肌肉的機器人將能夠以更人性化的方式運作，但在力量上卻要勝過人類?！?/p>

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，阿德里安及其團隊使用可拉伸的聚合物，延展至超過自身原始長度的10倍以上。阿德里安補充說，一個良好的理解基礎(chǔ)，在很大程度上是其成功的原因。去年，他們在理論上計算出電脈沖驅(qū)動的聚合物肌肉可能有1000%的應(yīng)變位移，可舉起達(dá)自身重量500倍的負(fù)荷，所以他們在朝著這個方向努力，不管當(dāng)初這聽起來有多么的不可思議。

“綠色”機器人

現(xiàn)有的機器人或機械手臂受到能量限制，只能在電源附近活動。因此，研究人員一直希望能研發(fā)出一種能像人類一樣自由活動、而且自身可以供應(yīng)能量的新型裝置，即“綠色”機器人。

阿德里安說：“這種新型肌肉，不只是強壯和反應(yīng)靈敏，其動作能產(chǎn)生一種副產(chǎn)品——能量，當(dāng)肌肉收縮和擴張時，能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能，由于這種材料的性質(zhì)，它能夠?qū)⒋罅磕芰啃罘e于一個小包裹里。計算顯示，如果一個由這些軟質(zhì)材料構(gòu)建成的發(fā)電機，一個10公斤的系統(tǒng)能夠生產(chǎn)出相當(dāng)于1噸電渦輪的能量?！?/p>

這意味著，所產(chǎn)生的能量可能會導(dǎo)致機器人在短時間內(nèi)充電后自供電，耗時預(yù)計不到一分鐘。

阿德里安說：“未來仍然要在研究中加強這種肌肉，希望在三到五年內(nèi)能夠做出一個機械臂，大約是人類手臂的一半尺寸和重量，能夠與人類角力，并且贏得勝利。”

2013年6月，在瑞士蘇黎世舉行的第三屆機電活性聚合物傳感器和人工肌肉國際會議上，由于阿德里安的貢獻(xiàn)，他被授予“前途遠(yuǎn)大的國際研究員獎”。

完成不可能之任務(wù)

人造肌肉的服務(wù)對象不僅僅是人類本身。研究人員介紹，人造肌肉還能成為機器人、飛機、海洋艦隊等的幫手。

阿德里安說：“想想當(dāng)起重機配備上這樣的肌肉，將會如何高效地工作?！痹撗芯啃〗M計劃進(jìn)一步與來自材料科學(xué)、機械工程、電子與計算機工程以及生物工程的研究人員一起，創(chuàng)建在功能和外觀上都更酷似人類的機器人及其四肢。

強大的人造肌肉不僅可以用于機器人，還有多種用途。按照研究人員的設(shè)想，仿生肌肉研制成功后，將能完成人類和機器人各自無法獨立做到的事情。它能像人類一樣到處行動；像自然手臂一樣靈活運用；“綁”在“外骨骼”上，使消防員、士兵和宇航員等特殊行業(yè)的人擁有超人般的力量。有了它，也許消防員就可用一只手撐起倒塌的建筑材料，而戰(zhàn)場上的士兵也可以變成不知疲倦的“超人”。

隨著一系列研究探索推動人造肌肉技術(shù)的不斷革新，相信“大力士”超級機器人正在向我們走來。