science子刊发布，利用“电磁炉原理”制造新型气动人工肌肉！
导读
电磁炉大家都很熟悉，它利用电磁感应来加热可被磁化的锅具，是居家“吃火锅”必备小家电。近期小编发现来自麻省理工大学（MIT）和英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)的研究者们利用“电磁炉的加热原理”研发了一款不需要气泵和气阀的气动人工肌肉，并将研究成果发表到了《科学-机器人学》（science robotics）杂志上。研究者利用通电线圈迅速加热混有永磁体颗粒的液体，让其在短时间内相变（汽化），从而产生能够驱动人工肌肉的气压。
图1 电磁感应加热原理能驱动气动肌肉？
利用电磁感应加热原理驱动的气动人工肌肉
新型的仿生肌肉设计是当下机器人研究的热点，其中，非常典型的气动人工肌肉有很多优点，例如安全，抗冲击，柔顺，高能量密度等，但它有一个“硬伤”就是需要一个稳定的高压气源来驱动。科学家们尝试用各式各样的方式来“摆脱”泵的束缚，包括用预充高压气体，用小型的气泵，或者用催化分解反应以及燃烧爆炸产生气体等方式来设计气动软体机器人（相关论文标题在文末给出）。
图2 几种摆脱气泵的气动软体机器人
小编觉得气动肌肉似乎已经走到了尽头（可以由学术界进发工业界了），没有什么其他新的方式可以有效产生气体，而且现如今大多数研究者都着眼于新材料的研发。但是近期的一个研究让人眼前一亮：电磁炉原理竟然可以用来驱动人工肌肉？！
图3 利用电磁感应加热原理驱动的“肱二头肌”
来自麻省理工（MIT）和英属哥伦比亚大学（UBC）的研究者们基于传统的气动肌肉（Pneumatic Artificial Muscle，PAM），设计了一种能够摆脱气泵，用电磁感应加热原理来制造气压变化的新型人工肌肉，命名为MITPAM（磁诱导热的气动人工肌肉magnetically induced thermal PAM），于4月15号发表在了顶级期刊《科学-机器人学》(science robotics)上，今天就由小编来为大家解读一下。
首先了解下最核心的原理：我们已知气动人工肌肉PAM是靠在长条形气囊外部加上尼龙网管，通过充气产生沿径向膨胀，轴向收缩，以达到模拟人类肌肉的效果。由此可知，能提供有效气源的气泵是必不可少的。
图4 MITPAM的驱动原理和PAM比较
MITPAM人工肌肉的设计者指出，他们是将弹性气囊内注入特殊的含有磁性物质的液体，通过线圈产生交变磁场，对液体进行磁感应加热（类似于电磁炉的工作原理，也被应用于冶炼等），液体会在数秒内升温，转变为气相，从而在密封的气囊内产生气压，达到膨胀的目的。作者制作出“MITPAM人工肌肉”，“仿生手臂“和”软体抓手“，我们先来看精彩的动态图展示（动态图经过加速，文末附有完整原始视频），详细的原理介绍请看第二部分。
图5 MITPAM气动人工肌肉的收缩
图6 MITPAM“拟人手臂”举起一瓶可乐（0.5kg）
图7 软体抓手抓取鸡蛋
图8 软体抓手抓取小足球
MITPAM的原理和制造方法
MITPAM人工肌肉的设计原理利用了常见的“涡流加热”效应。作者为了能够产生气体来驱动气动肌肉，将Fe3O4的微粒和纯净水（去离子水）混合液体装入传统的气动人工肌肉中并且密封。磁性金属微粒（Fe3O4纳米颗粒）在线圈产生的高频率的变化的磁场中会发热，利用这种磁生热的效应便可以去驱动气动人工肌肉（PAMs）。
图9 MITPAM的原理和制作方法
在高频变化的磁场的激励下，混合液体会迅速升温并且蒸发产生蒸汽。输入功率为900W时，含有197mg的磁性纳米颗粒混合液能够以20℃每秒的速率在10秒钟之内被加热到200℃，这种高效率的能量输出可以被应用于驱动人工肌肉。在这个设计中，作者采用的磁性纳米颗粒直径在100到300纳米之间，磁性纳米颗粒是直接的能量转换单位（将电能转化为热能），因此在相同的电流输入下，磁化强度越强，能产生更多的热量。MITPAM人工肌肉可以产生20%的应变，以及40千焦/立方米的工作密度，这些参数已经可以和骨骼肌相媲美了。
图10 磁性纳米颗粒扫描电镜图象
MITPAM人工肌肉在2kg的负载作用下，10s内可以产生20%的应变收缩。它的冷却时间大概在几十秒左右，研究者发现，液体在沸点附近会温度急剧下降，导致了应变的急剧下降，因此，MITPAM的响应时间的提升可以通过将驱动器内混合液体的温度保持在刚刚低于沸点。
图11 MITPAM在驱动时的温度变化
研究者们用MITPAM制造了一个模拟人肱二头肌举重物的“手臂”，这条手臂可以输出1.5Nm的扭矩，抬起0.5kg的负载。
图12 MITPAM“肱二头肌”抬举可乐
由于需要不断地升高温度降低温度，对于材料来说是极大的考验，研究者通过一些初步实验证实MITPAM的可重复性也是比较客观的，可以看到在重复刺激50次以后，MITPAM的应变没有发生很明显的衰减。
图13 人工肌肉的疲劳测试
为了进一步证实MITPAM人工肌肉的有效性和适用性，研究者制作了一个可以 “无线”驱动的软体抓手。用来制造软体抓手的全部零件可以被归到一个不超过14cm*10cm的方框中，其中包含了电源，控制器，软体手，线圈和液体腔等。通过一对锂电池就可以驱动线圈，让液体腔内的永磁体（钉子）发热，蒸发液体从而驱动软体抓手弯曲。
图14 制作小型软体夹爪的材料和“无线”软体手指样机
如果在液体腔中装入3ml的液体，可以达到10s的驱动响应速率，冷却时间则稍微有些长，有150s。作者抓取了鸡蛋，网球，还有小型足球，来展示这个“无线”系统的有效性。研究者还发现，用直流电磁场可以有较快的响应时间，用交流电磁场可以产生较大的力，但是作用频率较小。
图15 软体夹爪的抓取展示
结束语
虽然MITPAM人工肌肉没有达到如传统气动人工肌肉一样的响应速度和负载能力，但是它成功的实现了不需要包括气泵，气瓶，以及气阀等传统气动机器人所需要的一切设备。并且在最理想的情况下，仅仅用两节锂电池就可以实现“无线”软体抓手的驱动。作者设计的MITPAM能够有着20%的峰值应变和40千焦每立方米的工作密度，几乎可以和骨骼肌媲美。作者指出，在未来的研究中，将着重针对MITPAM人工肌肉系统进一步优化，或者设计一些别的机器人，以及研发低熔点的混合液体。
希望这款由电磁感应加热现象设计制造的人工肌肉能够为读者带来一些启发，生活中有一些我们接触过的，耳熟能详的，甚至是习惯了被忽视的物理现象和化学现象，可以被用到一些特殊的场景中，发挥不一样的作用，或许一不小心就做出了一个science级别的研究。所以，常常跨领域思考，跨学科思考，真的会有意想不到的收获！
文末视频
气动人工肌肉展示
软体抓手展示
论文链接：
Mirvakili, S.M., Sim, D., Hunter, I. W., & Langer, R. (2020). Actuation of untetheredpneumatic artificial muscles and soft robots using magnetically inducedliquid-to-gas phase transitions. Science Robotics, 5(41).
https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz4239
相关论文标题：
A Resilient, UntetheredSoft Robot
PrechargedPneumatic Soft Actuators and Their Applications to Untethered Soft Robots
An integrateddesign and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots
A 3D-printed, functionally graded soft robotpowered by combustion
END