Empa研究人員制作出可模仿真實肌肉的3D打印軟材執(zhí)行器

2025年3月12日，南極熊獲悉，瑞士國家材料科學與技術實驗室Empa的研究人員正在致力于生產能夠與真實肌肉媲美的人造肌肉。他們宣稱通過3D打印技術可以制造出一種既柔軟又具有彈性的強大結構。這些人造肌肉有望在醫(yī)學、機器人技術以及任何需要精準控制運動的應用領域中發(fā)揮重要作用。

△Empa的3D打印軟體致動器

模仿真實肌肉難題

人造肌肉的潛力遠不止于驅動機器人運動；未來，它們有望在人們工作或行走時提供支持，甚至可能替代受損的肌肉組織。盡管如此，開發(fā)出能與自然肌肉相媲美的人造肌肉，仍然是一項技術上的重大挑戰(zhàn)。

要與生物肌肉相匹配，人造肌肉必須同時具備力量、彈性和柔軟性。其中，執(zhí)行器是人造肌肉的關鍵組成部分，負責將電脈沖轉換為機械運動。執(zhí)行器在多種環(huán)境中發(fā)揮著作用，從家庭自動化到汽車引擎，再到先進的工業(yè)設施，只需簡單的按鈕操作即可實現(xiàn)物體的移動。然而，目前的執(zhí)行器多為堅硬的機械部件，與人體肌肉的特性相去甚遠。

△相關研究結果已正式發(fā)表在《先進材料技術》上，題目為“高介電常數(shù)介電彈性體執(zhí)行器光纖的快速制造”（傳送門）

調和矛盾

研究人員采用了3D打印技術來生產由軟材料制成的復雜執(zhí)行器組件。這種介電彈性執(zhí)行器（DEA）由兩種不同類型的硅基材料構成：一種是導電的電極材料，另一種是不導電的電介質。這兩種材料層層堆疊，正如Empa研究員Patrick Danner所描述的，它們的組合類似于交錯的手指。當在電極上施加電壓時，執(zhí)行器會收縮，模擬肌肉的運動；而當電壓移除時，執(zhí)行器則恢復到初始狀態(tài)。

△介電彈性體致動器（DEA）纖維的制造和工作原理

Danner明白，3D打印這種結構極具挑戰(zhàn)性。盡管兩種軟材料在電氣屬性上有明顯差異，但在打印過程中，它們的行為必須非常相似。它們需要保持分離狀態(tài)，但在最終的執(zhí)行器中又必須緊密結合。

打印出的“肌肉”必須足夠柔軟，以便于電刺激引起所需的形變。此外，所有3D打印材料必須滿足特定要求：它們在打印壓力下必須能夠液化，以便從噴嘴擠出。以及，擠出后它們又必須具備足夠的粘性以保持形狀。

Danner指出：“這些特性往往相互矛盾。優(yōu)化其中一個特性，往往會導致其它特性的惡化，或者變得更差�！�

△通過工藝變化調整光纖結構

從VR手套到跳動的心臟

研究小組負責人Dorina Opris，以及來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員合作，成功地協(xié)調了多種相互矛盾的特性。他們使用了由蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究人員Tazio Pleij和Jan Vermant開發(fā)的特殊油墨，并通過特定的噴嘴技術，成功打印出了功能性軟執(zhí)行器。

這次合作是Manufhaptics項目的一部分，該項目是ETH領域戰(zhàn)略領域先進制造的一個大型項目。項目的目標是開發(fā)一種手套，使得虛擬現(xiàn)實中的體驗能夠更接近真實世界。在這個項目中，人造肌肉的作用是通過提供阻力來模擬抓握物體的感覺。

△Empa的Patrick Danner正在研究由軟材料制成的執(zhí)行器

軟執(zhí)行器的應用潛力遠遠超出了這一特定項目。由于它們輕便、靜音，并且能夠根據(jù)需要進行定制形狀，軟執(zhí)行器有潛力替代傳統(tǒng)汽車、機械和機器人中的執(zhí)行器。在醫(yī)療領域，它們同樣有巨大的應用前景，前提是它們能夠得到進一步的發(fā)展。

現(xiàn)階段，Opris和Danner已經開始探索這一領域。他們的新工藝不僅能夠打印出復雜形狀的纖維，還能生產出具有彈性的長纖維。Opris指出：“如果我們能使這些纖維變得更細，它們的工作方式將更接近真實肌肉纖維。”研究人員們設想，未來或許可以利用這些纖維來打印出整顆心臟。然而，在這一愿景實現(xiàn)之前，仍有許多研究和開發(fā)工作需要完成。