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“智能肌肉”让人造手更灵敏 能用于机器人又可制新型义肢

德国萨尔兰大学的科研小组近日制造出一种装备了形状记忆合金“肌肉”的人造手,它比目前的人造手更加灵活轻盈。手上的“肌肉纤维”由成束的超细镍钛合金丝组成,能绷紧、能弯曲,让人造手能执行更为精确的运动。这一技术将来既可用在工业机器人上,也能制作新型义肢。该小组将在4月13日至17日的德国汉诺威工业博览会上演示人造手的模型。


据每日科学网站报道,科研小组由萨尔兰大学和机电与自动化技术中心教授斯戴芬·希莱克领导。他们将形状记忆镍钛合金拉成直径与头发相仿的细丝,仿照人类的肌肉结构,把合金丝组成一束一束,用多股合金丝连接手指关节,模拟肌肉纤维做成手指的正面屈肌和背面伸肌,且能迅速地收缩和舒张。


希莱克说,“形状记忆”合金是指这种金属能“记得”自己的形状,在变形后能恢复成原来的样子。“镍钛合金的这种特性来自其内部的相位变化。比如合金丝在变暖时会导电,材料会改变晶格结构,使它像肌肉那样收缩。”


目前工业生产线上的人造手要依赖许多复杂的支持技术和其他设备装置工作,如电动机或气动装置,变得笨重不灵活,有噪音且造价昂贵。“相比之下,用智能肌肉制造的工具无需附加设备,轻巧灵活,适应性强而无噪音,生产成本也相对较低。”希莱克说,“在所有已知的驱动机械中,合金丝的能量密度最高,能在严格限制的空间里完成高强度的运动。”


参与研究的工程师菲罗蒙娜·西莫尼说:“在施加一个很强的拉力时,这些合金丝束能迅速地收缩和舒张。这种表现的原因是快速冷却,因为大量金属丝表面积更大,使热量能迅速扩散。一束很细的丝线能承受相当于人类肌肉快速收缩和拉伸的力量,所以,我们能实现迅速平稳的手指运动。”


用形状记忆合金丝做肌肉的另一个效果是,当人造手正在执行一个特定动作时,如果受到阻碍,它能以很自然的方式作出反应。这意味着人类能和人造手“携手”工作。合金丝的相对运动由一个半导体芯片控制,能完成精确的运动。这一系统不需要传感器。“合金丝材料本身就有传感属性。”希莱克说,“控制器能识别电阻检测数据,从而知道合金丝在任意时刻的确切位置,使手和手指能精确活动。”


研究人员希望继续研究手部运动模型,探索形状记忆合金丝的传感属性等,以进一步开发人造手原型,改良其模拟人手的方式。


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