SES软关节电动液压驱动器：为微型机器人带来新突破

一、现有驱动策略的局限性

在软体机器人领域，科学家们致力于通过融合弹性设计，使机器人模仿自然界生物的多功能性，尤其是学习生物如何在不确定和动态环境中有效互动的能力。

不同于大多数动物依靠拮抗肌来实现运动，蜘蛛采用液压方式驱动腿部运动，这为机器人关节的研发提供了重要参考。蜘蛛腿关节的基本结构通过液压方式创建扩展，坚硬的外骨骼中有适合关节的分割，关节外侧有柔软的波纹管膜。外骨骼中的空腔含有蜘蛛的血淋巴，既充当蜘蛛的“血液”，也作为液压油。液体由蜘蛛前体的肌肉加压，关节柔软的波纹管膜在加压时收缩，导致腿部伸展。蜘蛛恢复腿部弯曲则依赖于弹性组件或外骨骼内的肌肉。

尽管已有多种驱动策略，如液压放大自愈式静电（HASEL）驱动器和袋状电机（pouch motor），但尚未有一种技术能够满足所有需求。HASEL驱动器利用导电液体驱动机制，通过电极和弹性软袋的结合，实现模拟肌肉收缩的效果。然而，要将线性运动转换为带角度的输入，增加了设计复杂性，限制了关节结构的灵活性。另一方面，袋状电机虽然在分布式设计和关节控制方面有所进展，但仍存在气动学缺陷，需要复杂的气动网络来分配压缩空气。

二、SES软关节电动液压驱动器的优势

为了满足高性能驱动器的需求，实现关节快速连接，并能够无缝集成到机器人结构中，研究人员开发了一种受蜘蛛启发的电动液压机器人软关节驱动装置——SES驱动器。SES驱动器融合了线性Peano-HASEL执行器和旋转袋状电机的特点，具备高比扭矩、快速操作、低能耗和反驱动能力，全部采用轻量化设计。

SES驱动器的关键部分是研究人员制造的柔性袋，由薄塑料薄膜（如聚酯或聚丙烯）制成，内部填充植物油。在袋子两侧放置电极，使其成为驱动器，通过静电力产生液压动力。柔性袋连接到旋转接头，当在电极之间施加高电压时，静电力会使液体电介质在柔性袋内移动，导致接头弯曲。SES关节可以旋转高达70度，产生高扭矩，并且可以轻松恢复到初始位置。

“SES关节非常简单且轻便，因为没有核心组件会增加机器人的负担。”马克斯·普朗克研究所机器人材料部主任克里斯托夫·开普林格（Christoph Keplinger）表示，“软体机器人的许多应用都需要多功能执行器。这些受蜘蛛启发的关节具有很高的功能性，并且只消耗很少的能量，它们制造起来既简单又便宜。我们使用的是塑料食品包装材料，而且这些产品很容易延展。这些都是对机器人设计至关重要的品质。”

三、SES驱动器的应用前景

通过SES制造的机器人关节在扭矩输入、比扭矩、关键速度和能耗等方面表现出色。例如，SES关节的扭矩输入远高于传统柔性关节，可以轻松抓取小巧物体。与传统驱动器相比，SES驱动器的比扭矩表现优异，可以与电磁驱动器相媲美，这使得它们非常适合小型机器人系统。

SES驱动器的关键速度也非常快，测量出的滚转频率为24赫兹，激活时间低至12毫秒。与依赖系统内外热量缓慢分散的热驱动系统相比，SES驱动器采用的静电机制既快速又可扩展到大型阵列。此外，SES驱动器在保持驱动形状时的能量消耗极低，这意味着它们可以更高效地工作。

SES驱动器的应用前景广阔，不仅可以在各种关节机器人设计中发挥作用，还可以利用机器人结构固有的机械部件提供必要的支持层。它们的电气操作无声无息，允许执行器输入的直接电气到机械控制。通过外部传感器的闭环控制方法，可以进一步增强电液系统的控制效果。

总之，SES驱动器为微型机器人带来了新的可能性，其多功能性和高效性能使其在未来的机器人设计中具有巨大潜力。