相较于传统技术，他们的解决方案展现出显著的优势：它适用于需要机器人展现柔软而非刚性特性的场景，或是需要更高灵敏度以实现与环境交互的场合。

众多机器人专家致力于打造一种新型机器人，这类机器人不仅局限于采用金属和其他硬质材料以及电机组合，而是追求更柔软、更具适应性的设计。软体机器人具备与众不同的互动方式，例如它们能够像人类的四肢一样缓冲冲击，或是巧妙地抓取物体。

此外，这种技术还将在能源消耗方面发挥优势：现今的机器人运动通常需要大量能量来维持特定位置，而软体系统则具备良好的能量储存能力。那么，还有什么比以人体肌肉为原型，并尝试重新创造它更合适的选择呢？

生物灵感引领人造肌肉的革新

人造肌肉的设计灵感来源于生物学。与天然肌肉一样，人造肌肉在接收到电脉冲时会产生收缩。然而，其构造与天然肌肉截然不同。人造肌肉并非由细胞和纤维构成，而是一个装满液体的袋子，这种液体通常是油。这个袋子的外壳部分被电极覆盖。

当电极接收到电压时，它们会聚集在一起，将液体推向袋子的其余部分，导致袋子弯曲。这一弯曲动作能够使肌肉举起重物。单个这样的袋子可以类比为一个小束的肌肉纤维。多个这样的袋子可以连接起来，形成一个完整的推进元件，也被称为致动器或简称为人造肌肉。

虽然开发人造肌肉的想法由来已久，但实现这一目标一直面临一个主要障碍：静电执行器只能在大约6,000到10,000伏的极高电压下工作。这一要求导致了一系列问题：例如，肌肉必须连接到大而重的电压放大器；它们不能在水中工作；并且它们对人类来说并不完全安全。

苏黎世联邦理工学院的机器人学教授罗伯特·卡茨施曼（Robert Katzschmann）与斯蒂芬·丹尼尔·格拉弗特（Stephan-Daniel Gravert）、埃利亚·瓦里尼（Elia Varini）和其他同事一起，开发出了一种全新的解决方案。

Gravert在Katzschmann的实验室担任科学助理，为HALVE致动器设计了外壳。这种新的人造肌肉被称为HALVE，代表“液压放大的低压静电”。

与其他执行器不同，HALVE的电极位于外壳内部。Gravert解释说：“我们采用了一种高介电常数的铁电材料，结合一层电极，再涂上一层聚合物外壳，以增强其机械稳定性。”

这种设计降低了所需电压，因为铁电材料的介电常数较高，能在较低的电压下产生较大的力量。Gravert和Varini不仅合作开发了HALVE执行器的外壳，还亲自动手制造了执行器，用于两款机器人。

其中一个机器人是一个11厘米高（约4.3英寸）的抓手，有两个手指。每个手指由三个串联的HALVE执行器袋驱动。一个小型电池为机器人提供900伏电压。电池和电源加起来仅重15克（约0.5盎司）。整个夹持器（包括电源和控制电子设备）重45克（约1.58盎司）。当物体被绳索吊起时，夹持器能牢固地抓住光滑的塑料物体，支撑其自身重量。

Katzschmann满意地说：“这个例子充分展示了HALVE执行器体积小、重量轻、效率高的特点。这也意味着我们离创建集成肌肉操作系统的目标又近了一大步。”

潜入未来：HALVE执行器的无限可能

除了上述的抓手，第二个令人瞩目的应用实例是一个近30厘米长（约11.8英寸）的“鱼形”游泳者。这款设计独特的游泳者由一个装有电子设备的“头部”与连接HALVE执行器的柔性“身体”组成。这些执行器按照特定的节奏交替运动，从而产生游泳动作。令人惊讶的是，这条自主游泳的鱼能在14秒内从静止状态加速至每秒3厘米的速度，这一速度在普通自来水中得以实现。

这个实例的重要性在于它展示了HALVE执行器的另一项革新功能：由于电极被巧妙地保护在内部，这款人造肌肉不仅具备防水性能，还能在导电液体中使用。

Katzschmann解释说：“这条鱼证明了这些致动器的优势所在——电极不受环境影响，同时环境也不会对电极造成干扰。因此，例如，我们可以在水中操作这些静电执行器或直接触摸它们。”

此外，这种袋子的分层结构还带来了另一个优势：HALVE执行器比其他类型的人造肌肉更加坚固。理想情况下，袋子应能完成大量运动且反应迅速。然而，即便是最小的生产误差，例如电极间的尘埃斑点，也可能引发电气击穿，即小型雷击。

Gravert提到：“在早期模型中，一旦发生这种情况，电极会燃烧并在外壳上形成一个孔洞，导致液体泄漏并使执行器失效。”幸运的是，HALVE执行器成功解决了这一问题。由于其外部的塑料保护层，单个孔洞基本上会自行闭合。因此，即使在电气故障后，袋子通常仍能保持其完整功能。

两位研究人员显然为HALVE执行器取得的突破性进展感到兴奋，但他们也保持了清醒的头脑。正如Katzschmann所言：“我们现在必须为更大规模的生产做好准备，而这已超出了ETH实验室的能力范围。不过，我可以透露的是，已经有多家公司表达了与我们合作的意愿。”