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工程师开发出机器人的自修复“肌肉”

一项内布拉斯加大学林肯分校的工程团队最近在软体机器人和可穿戴系统领域取得了新进展，该系统能够模仿人类和植物皮肤检测及自我修复损伤的能力。

工程师埃里克·马尔科维卡与研究生伊桑·克林斯和帕特里克·麦克马尼加尔，最近在佐治亚州亚特兰大举行的IEEE机器人与自动化国际会议上发表了一篇论文，提出了一种针对软体机器人技术的系统级方法。该技术能够识别由穿刺或极端压力造成的损伤，精确定位其位置，并自主启动自我修复。该论文在1,606篇投稿中被选为ICRA 2025最佳论文奖的39名决赛入围者之一。同时它也是最佳学生论文奖以及机制与设计类别的决赛入围者。

该团队采用的策略可能有助于克服在开发采用自然启发设计原则的软体机器人系统时所面临的一个长期问题。“在我们的领域里，存在一股巨大的趋势，即用软材料复制传统的刚性系统，同时仿生学也是一个巨大的运动方向，”马尔科维卡说道。“虽然我们已经能够制造出可拉伸、柔软且贴合性好的电子器件和执行器，但它们通常无法在响应损伤并随后启动自我修复的能力上模仿生物学。”

为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能、自修复的人工“肌肉”，其采用多层架构，使系统能够识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——整个过程无需外部干预。

“人体和动物非常神奇。我们可能会被割伤、擦伤，甚至遭受一些相当严重的伤害。在大多数情况下，只需非常有限地外部使用绷带和药物，我们就能够自我修复很多东西，”马尔科维卡说。“如果我们能在合成系统中复制这种能力，那将真正改变这个领域以及我们对电子设备和机器的思考方式。”

团队的“肌肉”——或称执行器，即机器人中将能量转化为物理运动的部分——共有三层。底层是损伤检测层，由嵌入硅酮弹性体的液态金属微滴组成的柔软电子皮肤。这层皮肤附着在中间层，即自修复组件，它由一种刚性的热塑性弹性体构成。顶层是驱动层，当受到水压作用时，它负责启动“肌肉”的运动。

在过程开始时，团队在“肌肉”的底层“皮肤”上施加五个监测电流，该层连接到一个微控制器和传感电路。对该层的穿刺或压力损伤会触发线路之间形成一个电气网络。系统将此电气特征识别为损伤的证据，随后增加流经新形成的电气网络的电流。

这使得该网络能够作为一个局部焦耳加热器，将电流的能量转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，这些热量会熔化并重塑中间的热塑性层，从而密封损伤——有效地实现了伤口的自我修复。

最后一步是通过擦除底层损伤的电气特征，将系统重置回原始状态。为此，马尔科维卡的团队利用了电迁移效应的作用，这是一种电流导致金属原子迁移的过程。这种现象传统上被视为金属电路中的一个障碍，因为移动的原子会变形并在电路材料中产生间隙，导致设备故障和损坏。

在一项重大创新中，研究人员利用电迁移来解决长期困扰他们创建自主、自修复系统的一个问题：底层中损伤诱导电气网络似乎具有的永久性。如果无法重置基线监测线路，该系统就无法完成一个以上的损伤与修复循环。

研究人员想到，电迁移——因其能够物理分离金属离子并触发开路故障——可能是擦除新形成线路的关键。这一策略奏效了：通过进一步增大电流，团队可以诱发电迁移和热失效机制，从而重置损伤检测网络。

“电迁移通常被视为一个巨大的负面因素，”马尔科维卡说。“它是阻碍电子产品微型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特且非常积极的方式利用了它。我们没有试图阻止它发生，而是首次利用它来擦除那些我们曾认为是永久性的线路。”

自主自修复技术有潜力彻底改变许多行业。在内布拉斯加州这样的农业州，对于经常遇到树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统来说，这可能是一个福音。它也可能彻底改变必须承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

这项技术也将更广泛地惠及社会。大多数消费类电子产品的寿命只有一到两年，每年产生数十亿磅的电子废物。这些废物含有铅和汞等有毒物质，威胁人类和环境健康。自修复技术可能有助于遏制这一潮流。

“如果我们能够开始创造出能够勉强通过地、自主地检测到损伤何时发生，然后启动这些自我修复机制的材料，那将真正是具有变革意义的，”马尔科维卡说。
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