可生物降解的人造肌肉：在软机器人领域走向绿色

人造肌肉是一项进步的技术，有朝一日可以使机器人像生物体一样发挥作用。这些肌肉为机器人如何塑造我们周围的世界开辟了新的可能性;从可以在老年时重新定义我们身体能力的辅助可穿戴设备，到可以在瓦砾中寻找失踪者的救援机器人。但仅仅因为人造肌肉在使用过程中会产生强烈的社会影响，并不意味着它们在使用后必须留下强烈的环境影响。

来自斯图加特(德国)马克斯普朗克智能系统研究所(MPI-IS)、奥地利林茨约翰内斯开普勒大学(JKU)和科罗拉多大学(CU Boulder)的国际研究小组现在关注软机器人的可持续性主题。

科学家们合作设计了一种完全可生物降解的高性能人造肌肉——基于明胶、油和生物塑料。他们展示了这种可生物降解技术的潜力，使用它来制作机器人抓手的动画，这在一次性部署中特别有用，例如废物收集(观看 Youtube 视频，见下面的链接)。在使用寿命结束时，这些人造肌肉可以丢弃在市政堆肥箱中;在监测条件下，它们在六个月内完全生物降解。

“我们看到在软机器人加速发展的领域迫切需要可持续材料。可生物降解部件可以提供可持续的解决方案，特别是对于一次性应用，如医疗操作、搜救任务和危险物质的操纵。未来的机器人不会在产品寿命结束时积聚在垃圾填埋场中，而是可以成为未来植物生长的堆肥，“来自CU Boulder的访问科学家Ellen Rumley说，他在MPI-IS的机器人材料部门工作。

Rumley是论文“用于可持续软机器人的可生物降解电液执行器”的共同第一作者，该论文将发表在Science Advances上。

具体来说，研究小组构建了一种名为HASEL的电动人造肌肉。从本质上讲，HASEL是充油塑料袋，部分被一对称为电极的电导体覆盖。在电极对上施加高电压会导致相反的电荷在其上积聚，在它们之间产生力，将油推到袋子的无电极区域。这种油迁移导致袋子收缩，就像真正的肌肉一样。

HASEL变形的关键要求是构成塑料袋和油的材料是电绝缘体，可以承受带电电极产生的高电应力。

该项目的挑战之一是开发一种导电、柔软且完全可生物降解的电极。约翰内斯开普勒大学的研究人员创建了一个基于生物聚合物明胶和盐混合物的配方，可以直接浇注到HASEL致动器上。

“对我们来说，重要的是使电极适合这些高性能应用，但要具有现成的组件和可访问的制造策略。由于我们提出的配方可以很容易地集成到各种类型的电驱动系统中，因此它可以作为未来可生物降解应用的基石，“该项目的共同第一作者，JKU软物质物理部门的科学家David Preninger说。

下一步是找到合适的可生物降解塑料。这类材料的工程师主要关注降解速率或机械强度等特性，而不是电绝缘;对在几千伏特下运行的 HASEL 的要求。

尽管如此，一些生物塑料显示出与明胶电极良好的材料相容性和足够的电绝缘性。由一种特定材料组合制成的 HASEL 甚至能够在数千伏特下承受 100，000 次驱动循环，而不会出现电气故障或性能损失的迹象。这些可生物降解的人造肌肉与不可生物降解的人造肌肉在机电上具有竞争力;这是促进人造肌肉技术可持续性的令人兴奋的结果。