近年来，各种新型的软体机器人蓬勃发展，在一些传统刚性机器人无法应用的领域扮演着越来越重要的角色。然而，目前的软体机器人在拥有良好柔软性和延展性的同时，并不能保证一定的刚度，因此，在一些抓取和负载的任务中存在局限性，这也正是软体机器人发展的“木桶效应”，发展柔性变刚度技术始终是进一步提升软体机器人性能的关键。
最近，西安交通大学机械工程学院的李博和陈花玲课题组利用静电吸附技术和阻塞结构，成功实现了可调节刚度的柔性人工肌肉。所设计的人工肌肉可以通过施加不同电压实现结构刚度的连续调节，电压加至3 kV/mm时，结构单元和堆叠而成的半主动吸振器刚度分别可以提高1.5和5倍，操作简单可靠，效果良好。该成果发表于Soft Matter并选为主封面文章。
图1. 基于静电吸附技术的人工肌肉及灵感来源（杂志封面）
这种人工肌肉通过直写式3D打印技术制备，具体为：1. 利用自搭建的直写式3D打印机打印导电电极；2. 打印封装硅胶层；3. 涂敷电极引脚，引出导线；4. 组装电机层与中间夹层，形成堆栈式结构，其中，夹层材料使用切纸机切割而成。
图2. a为肌肉变刚度机理，b为人工肌肉工作原理，c为制备示意图，d为制备后材料显微图，e为制备出的全柔性静电吸附电极层
根据生物肌肉中的刚度变化原理，提出了一种利用边缘电场极化产生的静电吸附改变结构刚度的机理。和垂直电场相比，边缘电场对被极化物质的厚度无依赖，因此可以对结构进行层数、柔性和厚度的扩展。研究者根据理论计算及试验测试，得到了结构参数与输出吸附力（切向与法向方向）以及变刚度效果的关系，进一步优化了人工肌肉的性能。
图3. a为静电吸附层分组制备效果，b为测试装置，c和d为静电吸附力的测试结果
优化后的人工肌肉单元，经过堆叠制备成半主动吸振器，并用于刚性板的单点和单频的减振技术。通过仿真分析和试验测试发现，该吸振器减振效果优良，对平板结构振幅衰减明显（2.5kV电压下的定频振幅减小51%），成功实现了柔性变刚度技术的工程应用，为软体机器人的应用场景提供了新的思路。
图4. a为吸振器工作原理，b，c，e，f为减振测试结果，d为仿真结果及试验平台
研究者还通过复现试验的方式，将设计的人工肌肉与现有的气动与垂直电场式人工肌肉进行了性能对比。结果显示，本研究中制备的人工肌肉更加轻质高效（单位质量下的刚度变化达到350）。
图6. a为三种变刚度人工肌肉的原理，b-e为三者变刚度效果测试结果
该研究的意义在于使用增材制造技术得到可以通过电压调节刚度的柔性人工肌肉，对于实现软体机器人负载和更大输出力具有重要启示作用。
相关结果发表在Soft Matter上，西安交通大学毕业硕士，伦敦大学玛丽女王学院在读博士刘晨和西安交通大学李博副教授为文章共同第一作者及通讯作者，李博副教授和陈花玲教授以及伦敦大学玛丽女王学院的张克涛博士为文章共同通讯作者。中科院深圳先进研究院曹崇景和高兴研究员参与了静电吸附部分的研究。本研究得到了科技部智能机器人重点研发计划、自然科学基金、深圳研究基金、英国国家核工业机器人项目以及国家留学基金管理委员会的资助。
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