Flexible transmission via permeability variation: a universal approach for soft actuators

想象一下，你有一个由果冻状材料制成的超柔软、富有弹性的机器人。这些“软体驱动器”非常神奇，因为它们可以进行各种奇形怪状的弯曲、拉伸和扭动，而硬质金属机器人却无法做到这一点。但问题在于，它们通常太弱了，无法进行重物搬运。在常规机器人的世界里，我们会通过添加一个**齿轮箱（gearbox）**来解决电机无力的问题——齿轮箱通过牺牲速度来换取力量。但你不能直接把一个齿轮箱螺栓连接到一个软乎乎的果冻机器人上；那会破坏它的柔软感，而且太占空间了。

哈尔滨工程大学和哈尔本体特技术研究所的研究人员提出了一个巧妙的方案，为软体机器人设计了一个隐形的“齿轮箱”，称为渗透率调控磁传递技术（PTMT）。

隐形齿轮箱

把标准的齿轮箱想象成一次机械握手：齿轮与齿轮咬合以传递动力。而 PTMT 更像是一次磁力击掌。它利用磁铁在不接触的情况下传递力量。

这个神奇的技巧是这样的：系统使用两个强力的永久磁铁（我们称之为“老板”）和一个柔软、有弹性的铁块（“助手”）。

1. 输入： 你的软体机器人（比如一个软乎乎的气囊或一层有弹性的薄膜）轻微地推动这个“助手”铁块。
2. 魔法时刻： 这种微小的推动改变了磁场通过该空间的难易程度（科学家称之为改变“渗透率”）。这就像是将一块金属滑入磁场中以改变磁场的形状。
3. 输出： 由于磁场发生了变化，“老板”磁铁突然感受到了更强的推力或拉力。软体机器人的微小运动变成了磁铁产生的强大推力。

该论文指出，这种设置可以作为软体机器人的“通用翻译官”，将它们扭动、不规则的运动转化为强大的有用力量，而无需笨重的齿轮。

三次测试驾驶

团队不仅是在空想，他们还构建并测试了该系统在三种不同类型的软体机器人上的表现，以验证其有效性。

1. 拉伸薄膜（介电弹性体）
他们将磁性系统安装在一个通过通电产生扩张的弹性塑料薄膜上。

• 结果： 当薄膜仅扩张 0.4 毫米时，磁性系统就放大了力量。输出力达到了薄膜自身能力的 169%。
• 额外奖励： 由于磁性系统的辅助，机器人不再需要消耗那么多电量。在特定负载下，功耗降至之前的 75.7%。这就像是用同样的能量获得更强的一拳。

2. 气囊（气动驱动器）
接下来，他们尝试了一种经典的通过吹入空气使其弯曲的空气驱动机器人。

• 结果： 这个测试的表现甚至更强。磁性系统将力量提升了 224%。即使在机器人卡住无法移动（“堵转”状态）时，它依然能比单纯靠空气驱动时多出 246% 的推力。
• 速度： 它也移动得更快。磁性版本在短短 0.4 秒内就达到了最大弯曲度的 63%，而没有磁性的版本仅达到了 33.9%。

3. 弯曲关节（绳索驱动）
最后，他们在类似手指的弯曲关节上进行了测试。

• 结果： 这不仅仅关乎力量，还关乎刚度。通过调节磁铁，他们可以让关节根据意愿在“软”或“硬”之间切换。
• 酷炫之处： 他们成功创造了一个“双稳态”关节。这意味着关节有两个稳定的位置（就像开关一样，有“开”和“关”的状态）。它可以无需持续电力维持就能在两个状态之间切换。这对于传统材料来说是非常难以实现的。

它“不是”什么（以及我们目前还不了解什么）

了解这篇论文没有涉及的内容也很重要。

• 并非魔力齿轮： 论文明确反对在软体机器人中使用传统的机械齿轮（如齿轮和连杆），因为这些部件无法很好地适应不规则、柔软的运动。
• 尚未成为完美的解决方案： 作者谨慎地表示这只是一个“概念”和“方法论”。虽然模拟和实验看起来很棒，但仍存在局限性。
  • 摩擦力： 系统假设磁力作用是完美的，但在现实世界中，固定磁铁的橡胶框架会产生摩擦，从而损耗掉一部分放大的力量。
  • 距离： 磁场衰减很快。单个单元只能移动很短的距离。如果要让机器人移动较远距离，可能需要将许多这样的单元串联成链。
  • 权衡： 就像真实的齿轮箱一样，如果你获得了巨大的力量增益，就会损失一些运动距离。论文指出，为了获得高力量放大比，输出端的运动必须小于输入端的运动。这是一个权衡，而不是免费的午餐。

未来的构想：生锈的魔法？

论文还提出了一个大胆的、实验性的未来构想。与其物理移动铁块，如果可以通过化学手段改变铁的特性呢？他们测试了一种利用电化学在铜泡沫上生长或溶解铁的方法。

• 实验： 他们在约 40 秒内成功生长了足够的铁，使一个小物体旋转了 5 度。
• 现状： 这仅仅是一个“验证实验”。它证明了这个想法是可行的，但论文并未声称它已经准备好进入机器人工厂生产。这只是一个暗示：或许有一天我们可以通过化学反应而非电机来控制磁强度。

总结

该论文提出，通过利用磁场来“调控”磁力流动的难易程度，我们可以为软体机器人构建一个通用的、隐形的传输系统。它表明，这可以使软体机器人变得更强壮、更节能，并具备改变自身刚度的能力。实验表明，该方法在实验室中是有效的，在某些情况下能将力量提升近 2.5 倍，但作者提醒我们，现实世界的摩擦力和距离限制意味着在这些机器人走进你的客厅之前，仍有大量工作要做。