Empa研究人員制作出可模仿真實肌肉的3D打印軟材執行器
2025年3月12日，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揮重要作用。
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。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。執行器在多種環境中發揮著作用，從家庭自動化到汽車引擎，再到先進的工業設施，只需簡單的按鈕操作即可實現物體的移動。然而，目前的執行器多為堅硬的機械部件，與人體肌肉的特性相去甚遠。
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行器組件。這種介電彈性執行器（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，執行器會收縮，模擬肌肉的運動；而當電壓移除時，執行器則恢復到初始狀態。
Danner明白，3D打印這種結構極具挑戰性。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，但在最終的執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。”
從VR手套到跳動的心臟
研究小組負責人Dorina Opris，以及來自蘇黎世聯邦理工學院的研究人員合作，成功地協調了多種相互矛盾的特性。他們使用了由蘇黎世聯邦理工學院研究人員Tazio Pleij和Jan Vermant開發的特殊油墨，并通過特定的噴嘴技術，成功打印出了功能性軟執行器。這次合作是Manufhaptics項目的一部分，該項目是ETH領域戰略領域先進制造的一個大型項目。項目的目標是開發一種手套，使得虛擬現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。
軟執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，并且能夠根據需要進行定制形狀，軟執行器有潛力替代傳統汽車、機械和機器人中的執行器。在醫療領域，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展。現階段，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，在這一愿景實現之前，仍有許多研究和開發工作需要完成。
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