內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)模仿人類(lèi)和植物皮膚檢測(cè)和自愈損傷能力的軟體機(jī)器人和可穿戴系統(tǒng)方面又邁出了新的一步。

工程師埃里克·馬克維克卡以及研究生埃 than·金斯和帕特里克·麥克馬尼格爾最近在喬治亞州亞特蘭大舉行的 IEEE 國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議上提交了一篇論文，該論文提出了一種軟體機(jī)器人技術(shù)的系統(tǒng)級(jí)方法，該方法可以識(shí)別穿刺或極端壓力造成的損傷，確定其位置并自主啟動(dòng)自修復(fù)。

該論文是 1606 篇提交論文中 39 篇被選為 ICRA 2025 最佳論文獎(jiǎng)決賽候選論文之一。它還獲得了最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)和機(jī)制與設(shè)計(jì)類(lèi)別的決賽資格。

該團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)略可能有助于克服開(kāi)發(fā)軟體機(jī)器人系統(tǒng)中的一個(gè)長(zhǎng)期難題，這些系統(tǒng)借鑒了自然設(shè)計(jì)原理。

"在我們的社區(qū)中，人們大力推動(dòng)使用軟材料復(fù)制傳統(tǒng)的剛性系統(tǒng)，并且生物仿生學(xué)也正蓬勃發(fā)展，'馬克維克卡說(shuō)，他是生物醫(yī)學(xué)工程系的羅伯特·F·馬克和米娜·L·克羅恩助理教授。'雖然我們已經(jīng)能夠創(chuàng)造出柔軟且可貼合的電子設(shè)備和驅(qū)動(dòng)器，但它們往往無(wú)法像生物學(xué)那樣在受到損傷后做出反應(yīng)并啟動(dòng)自我修復(fù)。"

為了填補(bǔ)這一空白，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種智能的自愈合人工肌肉，該肌肉具有多層結(jié)構(gòu)，能夠使系統(tǒng)識(shí)別和定位損傷，然后啟動(dòng)自我修復(fù)機(jī)制——所有這一切都不需要外部干預(yù)。

"人體和動(dòng)物都非常神奇。我們可以受傷、瘀傷，并遭受相當(dāng)嚴(yán)重的損傷。在大多數(shù)情況下，通過(guò)非常有限的外部繃帶和藥物應(yīng)用，我們能夠自我修復(fù)很多東西，'馬克維克卡說(shuō)。'如果我們能夠在合成系統(tǒng)中復(fù)制這種能力，那將真正改變?cè)擃I(lǐng)域以及我們?nèi)绾慰创娮釉O(shè)備和機(jī)器。"

該團(tuán)隊(duì)的“肌肉”——或稱(chēng)執(zhí)行器，即機(jī)器人將能量轉(zhuǎn)化為物理運(yùn)動(dòng)的部件——有三層結(jié)構(gòu)。最底層是損傷檢測(cè)層，由嵌入硅橡膠中的液態(tài)金屬微滴組成的軟電子皮膚。該皮膚粘附在中間層，即自修復(fù)組件，這是一個(gè)硬質(zhì)熱塑性彈性體。最上面是驅(qū)動(dòng)層，當(dāng)用水加壓時(shí)，它會(huì)啟動(dòng)肌肉的運(yùn)動(dòng)。

該過(guò)程開(kāi)始時(shí)，團(tuán)隊(duì)在肌肉最底層的“皮膚”上施加五個(gè)監(jiān)測(cè)電流，該層連接到微控制器和傳感電路。該層的穿刺或壓力損傷會(huì)觸發(fā)跡線之間形成電網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)識(shí)別這個(gè)電足跡作為損傷的證據(jù)，并隨后增加通過(guò)新形成電網(wǎng)絡(luò)的電流。

這使得網(wǎng)絡(luò)能夠作為一個(gè)局部焦耳加熱器運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)化為損傷區(qū)域的周?chē)鸁崃俊追昼娭?，這種熱量熔化并重新處理中間的熱塑性層，從而密封損傷——有效地自愈傷口。

最后一步是通過(guò)擦除底層損傷的電氣足跡將系統(tǒng)重置為其原始狀態(tài)。為此，Markvicka 的團(tuán)隊(duì)正在利用電遷移的影響，這是一個(gè)電流導(dǎo)致金屬原子遷移的過(guò)程。這種現(xiàn)象傳統(tǒng)上被視為金屬電路中的障礙，因?yàn)橐苿?dòng)的原子會(huì)變形并導(dǎo)致電路材料中的間隙，從而導(dǎo)致設(shè)備故障和斷裂。

在一項(xiàng)重大創(chuàng)新中，研究人員正在利用電遷移來(lái)解決他們長(zhǎng)期努力創(chuàng)建自主、自愈系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題：損傷引起的底層電氣網(wǎng)絡(luò)的看似永久性。如果沒(méi)有重置基線監(jiān)控跡線的能力，系統(tǒng)無(wú)法完成超過(guò)一個(gè)損傷和修復(fù)的循環(huán)。

研究人員意識(shí)到，電遷移——憑借其分離金屬離子的物理能力和引發(fā)開(kāi)路故障的能力——可能是擦除新形成痕跡的關(guān)鍵。該策略奏效了：通過(guò)進(jìn)一步加大電流，該團(tuán)隊(duì)可以誘導(dǎo)電遷移和熱失效機(jī)制，從而重置損傷檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

"電遷移通常被認(rèn)為是一個(gè)巨大的負(fù)面問(wèn)題，"馬克維克婭說(shuō)。"它是阻礙電子小型化的瓶頸之一。我們?cè)谶@里以一種獨(dú)特且真正積極的方式使用它。我們首次利用它來(lái)擦除我們過(guò)去認(rèn)為是不變的痕跡。"

自主自愈技術(shù)有可能徹底改變?cè)S多行業(yè)。在像內(nèi)布拉斯加這樣的農(nóng)業(yè)州，它可能為經(jīng)常遇到尖銳物體（如樹(shù)枝、荊棘、塑料和玻璃）的機(jī)器人系統(tǒng)帶來(lái)福音。它也可能徹底改變必須承受日常磨損的穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。

這項(xiàng)技術(shù)也將更廣泛地惠及社會(huì)。大多數(shù)基于消費(fèi)者的電子產(chǎn)品只有一兩年壽命，每年都會(huì)產(chǎn)生數(shù)十億英鎊的電子垃圾。這種垃圾含有鉛、汞等有毒物質(zhì)，威脅人類(lèi)和環(huán)境健康。自修復(fù)技術(shù)可以幫助遏制這一趨勢(shì)。

“如果我們能夠開(kāi)始創(chuàng)造能夠相當(dāng)自主地檢測(cè)到損壞何時(shí)發(fā)生，并隨后啟動(dòng)這些自我修復(fù)機(jī)制的材料，這將真正具有變革性，”馬克維克婭說(shuō)。