近日，苏黎世联邦理工学院的研究人员发表了一项突破性成果，他们开发出
一种基于电液压人工肌肉的机器人腿，在灵活性、适应性和能源效率等方面都展现出惊人的性能，
为未来机器人设计开辟了新的方向。
这项研究发表在《Nature Communications》上，由Thomas J. K. Buchner、Toshihiko Fukushima等人完成。研究团队提出了一种受生物启发的肌肉骨骼腿部结构，由拮抗对电液压人工肌肉驱动。他们将这条腿安装在一个悬臂上，
实验证明它能以高能效且灵活的方式在各种地形上自适应跳跃
。此外，它还能通过电容自感应检测障碍物。
那么，
这条名为PELE（Peano-HASEL driven leg）的机器人腿到底有何过人之处？让我们一起来一探究竟。
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颠覆传统设计，仿生结构带来全新可能
长期以来，机器人腿主要依赖刚性电磁马达和传感器化传动系统来适应环境。虽然这种设计已经能够实现一些令人印象深刻的动作，但与动物在自然环境中展现的灵活轻松的运动相比，仍有不小差距。
苏黎世联邦理工学院的研究人员另辟蹊径，提出了一种仿生的肌肉骨骼腿部结构。
他们用拮抗对的电液压人工肌肉取代了传统的电磁马达和旋转关节编码器。关节中的传动装置则被一种仿生的跨关节肌腱路径所替代，这种设计创造了非线性力矩臂，能够产生收缩肌肉的适当扭矩输出。
具体来说，PELE由
碳纤维骨架、3D打印关节（髋关节和膝关节）以及通过肌腱连接的两组电液压人工肌肉
组成。每组肌肉包含并联堆叠的电液压肌肉，末端连接一根肌腱。整条腿有
4组肌肉包
，由最多4个独立的高压放大器通过计算机控制。
每个电液压肌肉是一个Peano-HASEL（液压放大自愈电静电致动器），由串联堆叠的致动器袋组成。单个袋子是一个充满液体电介质并在两侧覆盖电极的聚合物壳。当在两个电极上施加不同的电势时，电荷移动到电极上，静电力导致袋子形状改变。这种形状变化沿着串联堆叠的致动器袋产生线性收缩。当电极放电时，收缩会恢复。
这种设计带来了多方面的优势：
首先，电液压致动器通常具有锁定状态，即使在负载下保持位置也不需要额外能量，只需补偿通过电介质层的微小电荷泄漏。这意味着PELE在保持姿势时，即使施加相当大的关节扭矩，功耗也非常低。
其次，与电磁马达不同，施加到电液压致动器的电压与致动器力输出相关，而不是与电流相关。这种可控的致动器力输出，结合拮抗肌肉对和致动器的力-应变特性，使得腿部可以在开环力控制模式下运动，而无需关节角度编码器。这赋予了PELE固有的适应性。
最后，每个肌腱都有一个非线性力矩臂传动，可以为关节提供合适的角度-扭矩曲线。这种设计更接近生物系统，有助于提高运动效率和灵活性。
总的来说，这种仿生设计不仅增强了机器人的多功能性和适应性，还有助于简化高自由度系统的控制，有望带来更加灵活、高效的机器人系统。
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灵活敏捷的运动能力，挑战传统机器人极限
PELE展现出令人惊叹的运动能力，无论是在跳跃高度、频率还是适应性方面，都达到了很高的水平。
研究团队进行了一系列实验来测试PELE的性能极限。
在跳跃实验中，
PELE达到了
128毫米的跳跃高度
，同时保持了
91毫秒的短支撑时间。
这个短支撑时间反映了肌肉的快速响应和系统的低惯性矩。PELE的
垂直跳跃敏捷度达到0.75米/秒，跳跃频率为5.8赫兹，
展现出极高的敏捷性。
考虑到短支撑时间，研究团队进一步探索了PELE进行
快速连续跳跃
的能力。由于重力加速度无法足够快地将腿部带回地面，从而限制了可达到的最大运动频率。为了克服这一限制，研究人员利用腿部的拮抗肌肉对来实现更高频率的运动。通过开环力控制器，PELE成功地在各种地形上实现了
3赫兹的跳跃频率
，充分展示了其敏捷性和多功能性。在3赫兹的频率下，PELE达到了
80毫米的跳跃高度
，并在垂直跳跃中保持动态稳定。
研究团队还研究了
无地面接触的高频运动模式
。他们采用开环力控制器，对每块肌肉施加相移的正弦信号，实现了更高频率的步态运动。在无地面接触的情况下，PELE展示了
5赫兹的跑步运动和10赫兹的线性运动。
这种高频运动充分展示了PELE执行快速敏捷步态周期的能力。
值得注意的是，研究人员观察到
足部运动范围随操作频率的变化而改变，在3赫兹时达到最大，
这与腿部系统的自然频率相匹配。这一发现表明，拮抗肌肉对可以固有地产生类人的步态运动轨迹。
PELE在跳跃、连续跳跃和空中运动等多项实验中都取得了成功。这些结果共同展示了PELE在高跳、多次快速跳跃和快速步态周期方面的多功能和敏捷能力。
与传统的刚性电机驱动的机器人相比，PELE展现出更高的灵活性和适应性。
这种高度的灵活性和敏捷性源于PELE的多项创新设计：
首先，电液压肌肉的快速响应和高功率重量比为敏捷运动奠定了基础；其次，仿生的肌肉骨骼结构提供了更接近生物系统的动力学特性；最后，开环力控制方式简化了控制系统，同时保证了高度的适应性。这些创新使PELE能够在各种复杂环境中展现出卓越的运动能力，为未来机器人在非结构化环境中的应用开辟了新的可能性。
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固有适应性与能效并重，推动腿足技术发展
除了卓越的运动性能，PELE还展现出令人印象深刻的适应性和能源效率。
这两个特性对于未来机器人在复杂多变的环境中长时间工作至关重要。
在适应性方面，
PELE展示了令人惊叹的表现。研究团队设计了一个前馈力控制器，它周期性地生成一个单一的施加电压的激活模式。
仅凭这一简单的控制模式，PELE就能够在石头、沙子、砾石和草地等多种自然地形上进行跳跃。
这个实验充分展示了PELE适应不同地形的能力。
更令人惊讶的是，PELE展现出了
在不同地形之间无缝过渡的能力。
研究人员让PELE在软海绵表面和硬桌面之间切换。PELE在海绵表面展现出周期性的跳跃步态，形成一个稳定的极限环。当海绵被移除时，PELE经历了短暂的混沌期，然后平稳地从海绵上的稳定跳跃步态过渡到桌面上的新稳定跳跃步态。值得注意的是，
这种转换是固有发生的，无需改变控制输入。
PELE还展示了
通过肌肉的可逆驱动实现软着陆的能力。
研究人员记录了PELE从相同高度落到表面时的关节角度，同时施加不同的恒定激活电压。结果表明，PELE仅通过保持固定电压就能实现软着陆。
实验还揭示了PELE的可调节刚度，较低的激活电压导致更软的着陆，关节角度变化更大，压缩反弹更大。
这种固有的软着陆特性源于肌肉固有的可调节可逆驱动性，消除了对复杂计算控制器的需求来调节腿部刚度。
在能源效率方面，
PELE同样表现出色。研究团队评估了运动过程中的净运输成本（COT），结果显示
PELE的COT在0.73到1.79之间
，具体取决于运动类型。这一数值比大多数基于电磁马达的系统更加节能。更令人印象深刻的是，
在进行蹲坐实验时，PELE只需要相当于传统DC电机驱动腿约1.2%的能量。
这种高能效源于电液压致动器的独特特性，它们在保持位置时几乎不消耗能量，只需补偿微小的电荷泄漏。
传统的刚性电机驱动系统需要复杂的控制器来模拟适应性，而PELE通过其固有的物理特性就能实现高度的适应性。同时，PELE的高能效特性为长时间运行的机器人应用铺平了道路。
这项研究不仅展示了一种新型机器人腿的卓越性能，更重要的是开创了一种全新的设计理念。通过模仿生物系统的设计原理，研究人员成功地将灵活性、适应性和能效这三个目标统一起来。这种方法可能会引领未来机器人设计的新方向，使机器人能够更好地适应复杂多变的自然环境，同时保持高效率和长续航能力。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51568-3
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