工程师为机器人开发了一种自修复肌肉

内布拉斯加大学林肯分校的一个工程团队在开发模仿人类和植物皮肤检测和自愈损伤能力的软体机器人和可穿戴系统方面又迈出了新的一步。

工程师埃里克·马克维克卡以及研究生埃 than·金斯和帕特里克·麦克马尼格尔最近在乔治亚州亚特兰大举行的 IEEE 国际机器人与自动化会议上提交了一篇论文，该论文提出了一种软体机器人技术的系统级方法，该方法可以识别穿刺或极端压力造成的损伤，确定其位置并自主启动自修复。

该论文是 1606 篇提交论文中 39 篇被选为 ICRA 2025 最佳论文奖决赛候选论文之一。它还获得了最佳学生论文奖和机制与设计类别的决赛资格。

该团队的战略可能有助于克服开发软体机器人系统中的一个长期难题，这些系统借鉴了自然设计原理。

"在我们的社区中，人们大力推动使用软材料复制传统的刚性系统，并且生物仿生学也正蓬勃发展，'马克维克卡说，他是生物医学工程系的罗伯特·F·马克和米娜·L·克罗恩助理教授。'虽然我们已经能够创造出柔软且可贴合的电子设备和驱动器，但它们往往无法像生物学那样在受到损伤后做出反应并启动自我修复。"

为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能的自愈合人工肌肉，该肌肉具有多层结构，能够使系统识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——所有这一切都不需要外部干预。

"人体和动物都非常神奇。我们可以受伤、瘀伤，并遭受相当严重的损伤。在大多数情况下，通过非常有限的外部绷带和药物应用，我们能够自我修复很多东西，'马克维克卡说。'如果我们能够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如何看待电子设备和机器。"

该团队的“肌肉”——或称执行器，即机器人将能量转化为物理运动的部件——有三层结构。最底层是损伤检测层，由嵌入硅橡胶中的液态金属微滴组成的软电子皮肤。该皮肤粘附在中间层，即自修复组件，这是一个硬质热塑性弹性体。最上面是驱动层，当用水加压时，它会启动肌肉的运动。

该过程开始时，团队在肌肉最底层的“皮肤”上施加五个监测电流，该层连接到微控制器和传感电路。该层的穿刺或压力损伤会触发迹线之间形成电网络。系统识别这个电足迹作为损伤的证据，并随后增加通过新形成电网络的电流。

这使得网络能够作为一个局部焦耳加热器运行，将电能转化为损伤区域的周围热量。几分钟之后，这种热量熔化并重新处理中间的热塑性层，从而密封损伤——有效地自愈伤口。

最后一步是通过擦除底层损伤的电气足迹将系统重置为其原始状态。为此，Markvicka 的团队正在利用电迁移的影响，这是一个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障碍，因为移动的原子会变形并导致电路材料中的间隙，从而导致设备故障和断裂。

在一项重大创新中，研究人员正在利用电迁移来解决他们长期努力创建自主、自愈系统所面临的问题：损伤引起的底层电气网络的看似永久性。如果没有重置基线监控迹线的能力，系统无法完成超过一个损伤和修复的循环。

研究人员意识到，电迁移——凭借其分离金属离子的物理能力和引发开路故障的能力——可能是擦除新形成痕迹的关键。该策略奏效了：通过进一步加大电流，该团队可以诱导电迁移和热失效机制，从而重置损伤检测网络。

"电迁移通常被认为是一个巨大的负面问题，"马克维克娅说。"它是阻碍电子小型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特且真正积极的方式使用它。我们首次利用它来擦除我们过去认为是不变的痕迹。"

自主自愈技术有可能彻底改变许多行业。在像内布拉斯加这样的农业州，它可能为经常遇到尖锐物体（如树枝、荆棘、塑料和玻璃）的机器人系统带来福音。它也可能彻底改变必须承受日常磨损的穿戴式健康监测设备。

这项技术也将更广泛地惠及社会。大多数基于消费者的电子产品只有一两年寿命，每年都会产生数十亿英镑的电子垃圾。这种垃圾含有铅、汞等有毒物质，威胁人类和环境健康。自修复技术可以帮助遏制这一趋势。

“如果我们能够开始创造能够相当自主地检测到损坏何时发生，并随后启动这些自我修复机制的材料，这将真正具有变革性，”马克维克娅说。