一台看起来更像线而非机械的电机
瑞士 EPFL 的工程师们制造出了一款看起来像一根线的柔性电机，这种形态与“电机”一词通常让人联想到的几乎所有东西都格格不入。该设备被团队称为 FiberMotor，它不是刚性的，而是柔性的，并且以类似望远镜滑动节段的方式伸缩。这一设计背后的意图是为软体机器人和可穿戴设备提供动力，这两类技术长期以来一直受制于位于其核心的刚性、笨重驱动器。
这一设想表述起来很简单，工程实现却很难：如果正在制造的机器是柔软的，那么驱动它的东西就不应该是组件中最坚硬的物体。FiberMotor 试图弥合这一差距，它从执行器本身入手，而不是把柔性当作围绕传统硬件附加的事后考虑。
为什么软体机器人总是撞上硬电机
软体机器人多年来一直在开发能够弯曲、拉伸、抓取易碎物体并吸收冲击而不破碎的机体。该领域在材料方面进展迅速，弹性体、织物和顺应性结构能够以金属连杆无法做到的方式扭转和弯曲。问题出现在驱动的那一刻。电机、齿轮箱以及连接它们的传动线通常是刚性的，把它们用螺栓固定到柔韧机体上会造成机械失配。
这种失配会在几个实际方面显现出来：
- 刚性部件成为一个本应柔软的系统中最重、最脆弱的部分，限制了整台机器真正能够达到的柔顺程度。
- 重量集中在电机所在的关节处，这限制了设计师能够构建的形状以及设备能够安全执行的运动。
- 刚性硬件与柔软材料之间的界面会成为磨损点，也就是设备最可能疲劳或失效的地方。
- 体积限制了软体机器人能够多逼真地模仿生物肢体，而生物肢体通常具有分布式肌肉，而不是单个密集驱动器。
一种本身柔性且像线一样的电机可以从源头解决这种失配。工程师不必围绕一个刚性块进行设计，而是可以使用一种能够像肌腱或缆线那样布线、弯曲并集成到柔韧结构中的执行器。
用通俗语言解释望远镜式行为
研究人员采用的类比是望远镜，这个类比关乎该设备如何改变长度。望远镜通过让嵌套节段彼此滑动来伸展，从而在不获得一个全长刚性体的情况下增加触及范围。FiberMotor 被描述为以类似方式滑动，这表明其机制可以从紧凑、柔性的形态向外伸缩，而不是依赖传统轴或转子。
这对运动设计很重要。伸缩式伸展为软体系统提供了一种沿轴线触及、推动或延长的方式，同时执行器本身仍保持柔顺。对于需要伸入狭窄空间的机器人，或必须贴合运动身体轮廓的可穿戴设备而言，一种能够按需改变长度而不强加刚性脊柱的执行器，是与搭配刚性丝杠的电机截然不同的构建模块。
可穿戴设备是这场押注的另一半
可穿戴技术面临一个类似的问题。佩戴在身体上的设备会根据舒适度、重量以及它们对自然运动的干扰程度来评判，但动力辅助可穿戴设备传统上由刚性框架和显眼地置于髋部、膝部或背部的电机构成。相比之下，贴近服装的机器人则需要能够织入织物或沿肢体铺设、而不会造成压力点或硬边的驱动器。
一种像线一样的电机在概念上符合这一要求。纺织制造已经能够大规模处理柔性、细长材料，因此一种形状像细丝的执行器至少与服装制造方式兼容。使 FiberMotor 在软体机器人中有用的那些特性——柔性、纤薄外形、沿自身长度伸展的能力——正是可穿戴驱动器所需要的特性。
尚未确立的内容
一项早期阶段设备的发布留下了许多工程问题。EPFL 的 FiberMotor 被介绍为一款像线一样、可伸缩并为软体机器人和可穿戴设备服务的柔性电机，但标题式描述并未说明这种电机能产生多大力、将能量转化为运动的效率如何、在柔性元件退化前能承受多少循环，或在真实系统中如何供电和控制。
这些数字决定了一款巧妙的执行器能否成为实用组件。软体执行器通常以力密度和精度换取柔顺性，而 FiberMotor 的有趣问题在于它落在这一权衡的何处。例如，辅助关节的可穿戴设备需要足够大的力才有意义，而操作易碎物体的软体机器人则需要精细控制。一种伸缩式、像线一样的电机能否以有用水平实现其中任一目标，是接下来值得关注的事情。
执行器研究中一种熟悉的模式
FiberMotor 属于一项更广泛的推动，即让驱动与其所驱动结构的柔软度相匹配。欧洲、亚洲和北美的研究团队都试验过人工肌肉、缆线驱动肌腱、气动腔室和静电执行器，所有这些都从不同角度追求同一目标：用柔顺硬件移动柔顺机器。EPFL 的贡献为这一菜单增加了一个纤维状、可伸缩的选项。
一个新执行器类别的价值很少在于它直接取代现有电机，而在于它打开了设计空间。如果电机可以像线一样细而柔，那么机器人肢体、外骨骼服和可穿戴辅助设备就不再必须围绕关节处的刚性驱动器来组织。它们可以围绕分布式、与纺织兼容的驱动来组织——更接近生物肌肉的排列方式。
目前，FiberMotor 是一种有前景的形态，而不是经过验证的产品。线会滑动，望远镜会伸展，所提到的应用是软体机器人和可穿戴设备。接下来的工作是乏味的部分：测量耐久性、输出和控制，然后展示该设备在实际机器中可靠运行。
本文基于 Interesting Engineering 的报道。阅读原文。
Originally published on interestingengineering.com
