為什麼人造肌肉遲遲沒有運用到機器人領域?

人造肌肉的能量傳導效率遠遠大於機械,為什麼現在的機器人大多還是用電機和液壓?


人造肌肉是當今研究的前沿和熱門 俄先期研究基金會討論「人造肌肉材料和製造技術」研究

人造肌肉有很多種,我不知道問題中說的是哪一種?
比如

  • 氣動馬達 氣動人工肌肉_百度百科
  • 人造纖維肌肉 人造肌肉新材料,比天然肌肉強200倍
  • 另外一種纖維 科學家用釣魚線制人工肌肉 力量為天然肌肉100倍
  • 壓電陶瓷盤疊層
  • 記憶合金絲
  • 石蠟嵌入碳納米管纖維
  • 電活化聚合物,聚丙烯酸橡膠或天然橡膠,使用高壓靜電驅動
  • 電致收縮和磁致收縮
  • 聚合物凝膠,隨環境溫度和化學成分(如pH值)的變化而伸縮 新型水凝膠

所有這些使用化學和物理的方式驅動的絲、膜、條、塊,在我看來離實際應用還很遙遠。
生物學肌肉每平方厘米大約有5Kg拉力,並且可以收縮到拉伸長度的60%,轉換效率超過九成,可以可靠的運行幾十年或者上億次。生物學肌肉之所以可以達到超強的拉力,超高轉換效率主要原因是使用了ATP化學能驅動,化學能大約比物理能(不說核物理)高1-2個數量級,生物學肌肉還使用了納米級的轉換馬達。人造肌肉性能離真正的生物學肌肉的性能很遠。
個人認為,除非使用化學能作為能量來源,並且使用非均質(有細微的納米層面的結構)的馬達,才能真正達到生物學肌肉的水平


從目前的科技發展水平來看,最有前途的還是電動機,因為最容易獲得的能量就是電能,將電能轉換為機械能的機器就是電動機了。液壓有效、複雜、昂貴,可以參見大狗機器人。
如何改造電機,提高推重比,增加轉矩密度,縮小體積,有效的利用機器人空間(如何改良直線電機),如何控制多自由度機器人(智能機器人的行為控制),是機器人進化現實的選擇。


謝邀。

其實人造肌肉這個名字起得不是很好,更妥帖的名字應該叫電活性智能材料。因為我是做水下機器人方向的,所以接下來的舉例我就以水下機器人為例了。

對於電力驅動的機器人的驅動機構(actuator)來說,大體可以分為兩種:一種是純機械驅動,一種是智能材料驅動。

純機械驅動自然就是依靠數字舵機,步進電機這些直接依靠機械結構的配合與運轉來驅動機器人身體部位的運動。智能材料驅動就是依靠類似於SMA (shape memory alloy)、EMA (electromagnetic actuation)、IPMC (ionic polymer metal composite)這些智能材料通電或者溫度變化的產生的形變產生驅動力進行運動了。但是智能材料的形變數真的是太小了,精度也不夠,所以很遺憾的告訴你,所謂的人造肌肉在機器人領域的適用範圍真的很小。

下面我就以IPMC (ionic polymer metal composite)為例,稍微說明一下。

IPMC這種材料的特點就是,你只要對它通電,它就會產生形變,一般是對IPMC厚度方向施加電壓時,IPMC會向陽極彎曲,原理見下圖。那人們當然就可以利用這個特點,通電——形變——驅動,把他用在機器人身上,讓它產生相應的運動咯。而且這種材料「體積小,質量輕;產生大運動而不需要軸承和滑動部件;驅動電壓低」(百度百科),當然要好過電機什麼的了,那個大的個頭多佔地方。


但是這個肌肉的的另一個特點與機器人控制上的一個重要需求有所相左,就是控制上不太好操作。一個數字舵機只要給一個占空比我就能讓它轉到我需要的位置,但是IPMC的形變卻是一個非線性過程,需要我一點點的標定才能最後投入使用。而且他的形變數也十分有限,最大了從直的狀態彎成九十度,而且還有一個弧度,不甚理想。

所以這樣的智能材料可以用在控制精度不太高的地方,例如我想控制一個機器人,讓它模仿水母的噴射式推進模式一張一縮的,也不需要非得控制到張開多少,收縮多少,只要能張縮,讓機器人游起來就行,這樣的領域智能材料倒是可以佔據一席地位。Virginia Tech 就利用IPMC做出了一個仿生水母,但是速度只有0.77mm/s,大家感受一下。

總而言之,大多數的機器人控制中,控制精度是一個重要指標,而且鑒於運動範圍比較小,所以所謂的人工肌肉並不能得到大面積的使用。

圖片來源:Bhandari B, Lee G Y, Ahn S H. A review on IPMC material as actuators and sensors: Fabrications, characteristics and applications[J]. International Journal of Precision Engineering Manufacturing, 2012, 13(1):141-163.


機器人機械傳動容易,但精確難。越精確,成本越高,控制技術要求大。就目前中國科技而言,單單是電機和液壓控制的機器人在機械傳動方面複雜程度就非常低,控制程度簡單。就這些就不是一般實驗室可以做出來的,一是機械大部分為非標件,研發成本高;二是難以加工且加工精確度要求高。更別說人造肌肉,功率,成本,控制,研發定做等等,已經讓其不可能普遍使用。但不排除以後科技發展到一定程度,使其成為社會普遍,而非現在的實驗室模型。


An elastic hydraulic muscle have already in application.


個人認為:機器人製造優先考慮的不是能量傳導率,而是成本、耐用性、相關技術和零件的成熟度等等


如果是指氣動人工肌肉的話 已經在很多地方有應用了啊。我所知道外骨骼還有一些仿生機器人都有用到氣動人工肌肉驅動。


人造肌肉的性能還不夠好。而且人造肌肉一個大類就是智能軟材料,其響應都是非線性的,而且以聚合物為代表的人造肌肉隨著使用次數的增加,性能下降非常明顯(fatigue)。所以人造肌肉這種材料從控制角度上而言,並不是一種好的材料。另一方面人造肌肉的輸出力普遍偏小(例如地dielectric elastomer和 IMPC),輸出力大的(SMA),效率低。所以人造肌肉暫時還是不能運用到機器人領域的。


人造肌肉在軟體機器人已有應用,請看這篇文章:知乎專欄


看了好幾個樓下的回答,我個人感覺沒有真正回答到點子上,有人提這個問題顯然是真正關注到了人工肌肉最近的報道。

其實人工肌肉 ,美國早在1999年就已經取得了研究成果,斯坦福大學研究院(SRI)已經對此問題做出了成果性的研究,以電致聚合物為代表的高分子材料成為了首批成功的研究成果。日本有一家公司最先推出了人工肌肉驅動的機器魚,是全球第一個商業化產品。

竊以為,人工肌肉在機器人行業沒有得到大面積的推廣,主要原因受制於目前的傳動和控制模式。試想,這玩意兒本來就是去取代電機和液壓件的,那麼他們靠什麼去完成機械動作呢?

如果是要去完成大功率的動作,太難,輸出強度不夠。報道里說的相當於人類肌肉的85倍那都是唬你玩兒的,那是根據材料的屈服極限推測出來的力量,要是真要求那些研究人員把這玩意兒做成起重機,估計很多人都不知道該怎麼弄。

再者,倘若模仿生物形態去應用人工肌肉,更加難的離譜。人類光一隻腳掌就有兩百多塊骨頭,上億個神經元系統,想要用人工肌肉去做成這個形態,那光感測器就要好幾百了

所以,綜合以上兩個方面,決定了目前人工肌肉難得到推廣


竊以為,不光機器人領域,其他領域人造器官也沒有應用


如果真造出來了,那說不定某天機器人真的取代了人類,第四次科技革命就不遠了


人造肌肉控制精度還不如傳統方法,把某種方法用於工業之前,不僅僅要考察能不能,還應該考察諸如是否經濟、是否方便批量生產、質量評估體系是否完善等問題


每個東西都是依附於本物體所在系統,不用刻意強加而稱之為科技,機器人自然有其中的用處,人造出來的東西應該比人類的某方面東西強大,不然就無所謂創作,無非是模仿而已,機器人用于軍隊和警察,維護和平就是最好的東西,至於性奴這樣會毀了人類,你可能不知道創造即是毀滅的這一原理,一種存在的產生機制也是其毀滅的根源,所以人類的認識是不會根據個人的意願而轉移的,每到關鍵時刻總是救人以高大形象的氣概是其延續,萬變不離其宗,任何東西都不會因為個人的慾望而發展壯大!但是每個邪惡的慾望總是存在與人類延續的無名宗旨之中,這便是一個物體的兩面性,而非對立面。存在不能獨立,要有威脅存在的理由才能更好的存在。不是嗎。照你的這個邏輯,為什麼哲學家不說精神脫離於肉體多好,不會生老病死,恐怕你就知道了。回到主題:你這個沒意義的話題就像是,為什麼魚鱗基因沒有弄到人類的基因 讓大家游泳游得更快,因為游泳這個東西對於人類整個大家庭來說,根本就不足掛齒的東西。


想起了一部電影:機械姬
作為門外看熱鬧的,我覺得任何脫離使用場景的技術都為時尚早。
如果機械能在一定成本和範圍內很好的應用
那人造肌肉在一定時間內只能作為邊緣和前沿研究
不過真的像電影里那樣,搭配人工智慧,感覺棒棒的呢(^人^)


日本應該是做人工肌肉特別是氣動人工肌肉和人工肌肉纖維研究最好的國家了吧


還能因為啥
簡單/可靠/便宜/標準化/省電唄。。。
話說回來不管動作機構是什麼
電池不靠譜都沒用


謝邀,其實在soft robot 中還是有應用的。有空我找出那兩篇文獻。


因為程序的指令和人造肌肉的反應機理還沒有完美結合。


冒個泡,其實我想說的是做高分子類的人工肌肉最好的應該就是我們實驗室了。SRI和我們最近接了大項目,期待能應用,能搞個大新聞。


人造肌肉需要錢啊 而且再加上控制器僅僅是編程的 所以肯定是液壓系統要更優惠而且還方便控制


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