作为日本内阁府科学技术创新委员会的一项倡议——“通过颠覆性技术推动范式变革计划”（简称ImPACT）及其“强韧机器人挑战赛”的一部分，一个由东京工业大学的铃森康一教授和普利司通公司的樱井良博士组成的研究团队，成功开发出一种液压驱动的大功率人造肌肉。它有望成为迄今为止被创造出的最小、最轻、最强大的消费级机器人的组成部分。
ImPACT“强韧机器人挑战赛”的目标是创造出各种“强韧技术”，这些技术对于用于防灾、应急响应、恢复、救援和人道主义支持的机器人至关重要。
在灾区作业的机器人需要轻巧、强大，能够精确控制巨大的力量，并具有足够的抗冲击性及其他机械“韧性”。这与在室内和工厂等特定受控条件下使用的机器人不同。使用电动机和减速器的方法存在局限性，因此液压执行器至关重要。
本研究开发了一种新型的麦克基本（McKibben）型人造肌肉，它可以在5.0兆帕（MPa）的液压压力下驱动，能够产生比传统方法大得多的功率，同时保持轻量化。
此外，该解决方案最大限度地减少了滑动摩擦——这在试图实现高精度控制时成为一个问题，并且它具有很强的抗冲击性。预计该组件将为机器人在极端环境中的实际应用带来巨大进步。
ImPACT计划使用橡胶管开发的人造肌肉，功能极其强大但重量很轻，并且对冲击和振动有很强的抵抗力，这为制造有史以来最紧凑、最强韧、最节能的机器人提供了可能，而这些都是机器人在极端灾难现场使用的关键。
ImPACT的“强韧机器人挑战赛”旨在开发用于灾后救援的机器人，例如在日本东大地震和阪神淡路大地震之后。对于现有机器人，往往会出现一系列问题。例如，据报道，它们无法在灾区作业，曾出现过完全故障，并且不符合工作条件要求。为了实现计划目标，这些问题必须被克服。
为了创造出具有出色机动性和力量的强韧机器人，研究人员正在进行液压执行器（如马达和油缸）的研发，这些都是关键部件。大多数现有机器人都是基于消费品中常用的电动机技术来驱动的；然而，它们的结构存在问题。
首先，强度重量比（通过产生的力除以执行器的重量计算得出）很低——电动机功率低且重量大。其次，机器人对外部冲击和振动的抵抗力很低——它们很容易损坏。第三，很难在平稳移动的同时实现大功率输出，而这些情况往往需要这种能力。
为了解决这些问题，东京工业大学和普利司通公司专注于开发类人肌肉，这种肌肉能够消耗大量能量，同时又能完成所需工作所需的灵活运动。自2014年以来，研究人员一直致力于实现比人类肌肉更大的输出，同时试图再现其灵活性。
这些人造肌肉由橡胶管和高强度纤维组成，并通过液压驱动。使用橡胶管和高强度纤维使其能够实现平稳运动，而使用液压则使其能够实现高强度重量比、高抗冲击和抗振动性以及适当的轻柔运动。
这项研究为创造比现有机器人具有更大“韧性”的机器人开辟了新的可能性；它们对外部冲击和振动有很强的抵抗力；能够执行高强度工作；并能处理需要精确功率控制的精细工作。
研究成果概述
成功开发的大功率人造肌肉是一种麦克基本型人造肌肉。如图1所示，它由一个被编织套管包围的橡胶管组成。传统的麦克基本型人造肌肉在0.3到0.6兆帕的气压下工作，但由研究人员开发的这种人造肌肉可用于液压驱动，并可在5.0兆帕的压力下工作，这远高于传统的麦克基本型人造肌肉。因此，利用本研究开发的肌肉，可以产生明显更高的功率。
研究团队开发了一种具有优异耐油性和形变特性的新型橡胶材料。此外，他们改进了高强度化纤的编织方法，并开发了一种连接管端的技术，以便能够承受高压。最终，一种具有优异耐压性和耐油性的创新、轻量、大功率人造肌肉得以实现，它能够将高液压压力高效地转化为动力。这是一种创新的执行器，其“强度重量比”比传统的电动机和液压缸高五到十倍。
图表和图片说明
- 图1： 麦克基本型人造肌肉结构。（图片显示一个由橡胶管和外部的高强度纤维编织套管组成的结构。）
- 图2： 通过ImPACT计划开发的液压、大功率人造肌肉的运作示例。（图片展示了人造肌肉在拉伸和收缩状态下的对比。）
- 图3： 人造肌肉的运行特性总结：外径15毫米；最大收缩力7.0千牛；最大收缩率30%。（图表显示在5兆帕和2兆帕压力下，收缩力随收缩率变化的曲线。）
- 图3旁文字： 本研究开发的人造肌肉（如图2所示）由一个被编织套管包围的橡胶管组成，因此它对强烈的外部冲击和振动有很高的抵抗力。它有望催生出能够处理冲击载荷常见的作业的强韧机器人——例如使用冲击钻在墙上打孔、破碎混凝土墙等——这些对于现有的电动机驱动机器人来说是很难处理的。
- 图4： 在机器人手臂上的应用。右图：使用人造肌肉的两个机器人手臂。下图：一个带有六个人造肌肉的机器人手腕。
- 未来发展： 研究人员现在将继续开发能够使用这种人造肌肉的机器人，旨在为安全可靠的社会中机器人部署的进步做出贡献。此外，他们的目标是实现更高的性能，并帮助其作为消费级机器人执行器得到推广和发展。
- 参考资料： 日本内阁府：通过颠覆性技术推动范式变革计划（ImPACT）；项目经理：田所谕。