柔軟的氣動(dòng)執(zhí)行器可能不會(huì)出現(xiàn)在日常對(duì)話中，但您很可能會(huì)從它們的實(shí)用性中受益。這些設(shè)備使用壓縮空氣為運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，并具有傳感功能，已被證明是輔助可穿戴設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)技術(shù)等各種應(yīng)用中的關(guān)鍵支柱。

但是在創(chuàng)建具有高響應(yīng)率和功率輸入比等優(yōu)點(diǎn)的小型動(dòng)態(tài)設(shè)備時(shí)存在一些瓶頸。他們需要手動(dòng)設(shè)計(jì)和制造流程，這意味著需要大量的試錯(cuò)周期來實(shí)際測(cè)試并查看設(shè)計(jì)是否可行。

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的管道，用于計(jì)算設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造稱為“PneuAct”的軟氣動(dòng)執(zhí)行器。

PneuAct使用機(jī)器編織工藝，與您奶奶的塑料針編織沒有什么不同，但是這臺(tái)機(jī)器是自主運(yùn)行的。人類設(shè)計(jì)師只需在軟件中指定針跡和傳感器設(shè)計(jì)模式，即可對(duì)執(zhí)行器的移動(dòng)方式進(jìn)行編程，然后可以在打印前對(duì)其進(jìn)行模擬。紡織片由針織機(jī)制造，可以固定到便宜的現(xiàn)成橡膠硅膠管上以完成執(zhí)行器。

針織致動(dòng)器集成了用于感應(yīng)的導(dǎo)電紗線，使致動(dòng)器能夠“感受”它們所觸摸的東西。該團(tuán)隊(duì)制作了幾個(gè)原型，包括輔助手套、柔軟的手、交互式機(jī)器人和氣動(dòng)行走四足動(dòng)物。他們的原型使用黃色織物，看起來有點(diǎn)像香蕉手指，橫跨輔助手套、柔軟的手、交互式機(jī)器人和氣動(dòng)四足機(jī)器人。

盡管多年來軟氣動(dòng)執(zhí)行器的硬件開發(fā)發(fā)生了很多變化——2019年協(xié)作機(jī)器人的原型使用這種執(zhí)行器來重現(xiàn)人類手中的抓握——但設(shè)計(jì)工具并沒有以同樣快的速度改進(jìn).舊工藝通常使用聚合物和成型，但科學(xué)家們使用了彈性和感應(yīng)縫線(帶有導(dǎo)電紗線)的組合，允許在致動(dòng)器充氣時(shí)對(duì)致動(dòng)器的彎曲進(jìn)行編程，并能夠結(jié)合真實(shí)世界的反饋。

例如，該團(tuán)隊(duì)使用執(zhí)行器構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人，當(dāng)它被人手特別觸摸時(shí)，它會(huì)感知并對(duì)該觸摸做出反應(yīng)。

該團(tuán)隊(duì)的手套可以由人類佩戴以補(bǔ)充手指肌肉運(yùn)動(dòng)，最大限度地減少完成任務(wù)和動(dòng)作所需的肌肉活動(dòng)量。對(duì)于那些手指受傷、行動(dòng)不便或其他創(chuàng)傷的人來說，這可能具有很大的潛力。該方法還可用于制造外骨骼(由計(jì)算機(jī)控制的可穿戴機(jī)器人單元，可補(bǔ)充人體運(yùn)動(dòng)并恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng));例如，作者創(chuàng)造了一種袖子，可以幫助佩戴者彎曲肘部、膝蓋或其他身體部位。

麻省理工學(xué)院CSAIL博士生、《新關(guān)于研究的論文。“軟氣動(dòng)執(zhí)行器本質(zhì)上是兼容和靈活的，并且與智能材料相結(jié)合，已成為許多機(jī)器人和輔助技術(shù)的支柱——使用我們的設(shè)計(jì)工具進(jìn)行快速制造有望提高易用性和普遍性。”

理解傳感器

該團(tuán)隊(duì)采用的一種傳感方式是“電阻式壓力傳感”，執(zhí)行器“發(fā)送”壓力。例如，在制造機(jī)器人抓手時(shí)，當(dāng)它抓住某物時(shí)，壓力傳感器會(huì)感應(yīng)到物體上施加了多少力，然后會(huì)嘗試查看抓取是否成功。另一種類型是“電容式傳感”，其中傳感器識(shí)別執(zhí)行器接觸的材料的一些信息。

雖然執(zhí)行器很堅(jiān)固——在他們的任何實(shí)驗(yàn)中都沒有斷線，但該系統(tǒng)的一個(gè)限制是它們僅限于管形執(zhí)行器，因?yàn)樗苋菀赚F(xiàn)成購買。合乎邏輯的下一步是探索不同形狀的執(zhí)行器，以避免受到單一結(jié)構(gòu)的限制?？茖W(xué)家們將探索的另一個(gè)擴(kuò)展是擴(kuò)展該工具以結(jié)合任務(wù)驅(qū)動(dòng)、基于優(yōu)化的設(shè)計(jì)，用戶可以指定目標(biāo)姿勢(shì)和可以自動(dòng)合成的最佳縫合圖案。

“我們的軟件工具快速且易于使用，可以準(zhǔn)確地預(yù)覽用戶的設(shè)計(jì)，讓他們能夠快速進(jìn)行虛擬迭代，而只需要制作一次。但是這個(gè)過程仍然需要人類進(jìn)行一些反復(fù)試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)能否解釋如何在執(zhí)行器中對(duì)紡織品進(jìn)行物理編程以實(shí)現(xiàn)豐富的、傳感驅(qū)動(dòng)的行為?這是下一個(gè)前沿領(lǐng)域，”該論文的另一位作者、哈佛大學(xué)材料科學(xué)與機(jī)械工程博士后研究員安德魯·斯皮爾伯格說。

由雷切爾·戈登撰寫

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