Empa研究人員制作出可模仿真實(shí)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(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Empa的研究人員正在致力于生產(chǎn)能夠與真實(shí)肌肉媲美的人造肌肉,。他們宣稱通過3D打印技術(shù)可以制造出一種既柔軟又具有彈性的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)。這些人造肌肉有望在醫(yī)學(xué),、機(jī)器人技術(shù)以及任何需要精準(zhǔn)控制運(yùn)動的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用,。

△Empa的3D打印軟體致動器

模仿真實(shí)肌肉難題

人造肌肉的潛力遠(yuǎn)不止于驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)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(xiàng)技術(shù)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(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)將電脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)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(jìn)的工業(yè)設(shè)施，只需簡單的按鈕操作即可實(shí)現(xiàn)物體的移動,。然而,，目前的執(zhí)行器多為堅(jiān)硬的機(jī)械部件，與人體肌肉的特性相去甚遠(yuǎn),。

△相關(guān)研究結(jié)果已正式發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》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(diào)和矛盾

研究人員采用了3D打印技術(shù)來生產(chǎn)由軟材料制成的復(fù)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(gòu)成：一種是導(dǎo)電的電極材料,，另一種是不導(dǎo)電的電介質(zhì),。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(dāng)在電極上施加電壓時，執(zhí)行器會收縮,，模擬肌肉的運(yùn)動,；而當(dāng)電壓移除時，執(zhí)行器則恢復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)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(dǎo)致其它特性的惡化，或者變得更差,�,！�

△通過工藝變化調(diào)整光纖結(jié)構(gòu)

從VR手套到跳動的心臟

研究小組負(fù)責(zé)人Dorina Opris，以及來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員合作,，成功地協(xié)調(diào)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(xué)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(shù)，成功打印出了功能性軟執(zhí)行器,。

這次合作是Manufhaptics項(xiàng)目的一部分,，該項(xiàng)目是ETH領(lǐng)域戰(zhàn)略領(lǐng)域先進(jìn)制造的一個大型項(xiàng)目。項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一種手套,，使得虛擬現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)?zāi)軌蚋�接近真�?shí)世界,。在這個項(xiàng)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(yīng)用潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這一特定項(xiàng)目,。由于它們輕便、靜音,，并且能夠根據(jù)需要進(jìn)行定制形狀,，軟執(zhí)行器有潛力替代傳統(tǒng)汽車、機(jī)械和機(jī)器人中的執(zhí)行器,。在醫(yī)療領(lǐng)域,，它們同樣有巨大的應(yīng)用前景，前提是它們能夠得到進(jìn)一步的發(fā)展,。

現(xiàn)階段,，Opris和Danner已經(jīng)開始探索這一領(lǐng)域。他們的新工藝不僅能夠打印出復(fù)雜形狀的纖維,，還能生產(chǎn)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(xì)，它們的工作方式將更接近真實(shí)肌肉纖維,�,！毖芯咳藛T們設(shè)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(shí)現(xiàn)之前，仍有許多研究和開發(fā)工作需要完成,。