科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造了一種用于集成傳感的軟氣動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和制造工具，可以為個(gè)性化醫(yī)療保健、智能家居和游戲提供動(dòng)力。

柔軟的氣動(dòng)執(zhí)行器可能不是日常對(duì)話中出現(xiàn)的一個(gè)短語(yǔ)，但更可能的是，你可能從它們的實(shí)用性中受益。這些設(shè)備使用壓縮空氣為運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，并具有傳感能力，已被證明是各種應(yīng)用中的關(guān)鍵支柱，如輔助穿戴設(shè)備、機(jī)器人和康復(fù)技術(shù)。

但是，在創(chuàng)建具有高響應(yīng)率和功率輸入比等優(yōu)點(diǎn)的小型動(dòng)態(tài)設(shè)備時(shí)，有一點(diǎn)瓶頸。它們需要手動(dòng)設(shè)計(jì)和制造管道，這意味著要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤循環(huán)，以實(shí)際測(cè)試并確定設(shè)計(jì)是否可行。

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的管道，用于計(jì)算設(shè)計(jì)和數(shù)字制造軟氣動(dòng)執(zhí)行器，稱為“PneuAct”

PneuAct使用機(jī)器編織工藝——與你奶奶的塑料針織機(jī)沒(méi)有什么不同——但這臺(tái)機(jī)器是自動(dòng)操作的。人類設(shè)計(jì)師只需在軟件中指定針跡和傳感器設(shè)計(jì)模式，對(duì)致動(dòng)器的移動(dòng)方式進(jìn)行編程，然后在打印前對(duì)其進(jìn)行模擬。織物件由針織機(jī)制造，針織機(jī)可以固定在廉價(jià)的現(xiàn)成橡膠硅膠管上，以完成致動(dòng)器。

針織致動(dòng)器集成了導(dǎo)電紗線用于傳感，使致動(dòng)器能夠“感覺(jué)”它們接觸到的東西。該團(tuán)隊(duì)制作了幾個(gè)原型，包括一個(gè)輔助手套、一只軟手、一個(gè)交互式機(jī)器人和一個(gè)氣動(dòng)四足步行機(jī)器人。他們的設(shè)備被包裹在柔軟的黃色織物中，看起來(lái)有點(diǎn)像香蕉手指。

多年來(lái)，軟氣動(dòng)執(zhí)行器的硬件開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了大量變化——2019年的一個(gè)協(xié)作機(jī)器人原型使用這種執(zhí)行器再現(xiàn)了手上類似人類的抓握——但設(shè)計(jì)工具的改進(jìn)速度并沒(méi)有那么快。舊工藝通常使用聚合物和模塑，但科學(xué)家們使用了彈性和傳感針（帶有導(dǎo)電紗）的組合，允許在設(shè)備充氣時(shí)對(duì)其進(jìn)行彎曲編程，并能夠結(jié)合真實(shí)世界的反饋。

例如，該團(tuán)隊(duì)使用這些執(zhí)行器制造了一個(gè)機(jī)器人，當(dāng)它被人的手特別觸摸時(shí)，它會(huì)感應(yīng)到，并對(duì)這種觸摸做出反應(yīng)。

該團(tuán)隊(duì)的手套可供人佩戴，以補(bǔ)充手指肌肉運(yùn)動(dòng)，限度地減少完成任務(wù)和運(yùn)動(dòng)所需的肌肉活動(dòng)量。這對(duì)那些受傷、活動(dòng)受限或手指有其他創(chuàng)傷的人來(lái)說(shuō)可能有很大的潛力。該方法還可用于制作外骨骼（由計(jì)算機(jī)控制的可穿戴機(jī)器人單元，可補(bǔ)充人體運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)）；為此，研究人員制作了一種袖子，可以幫助佩戴者彎曲肘部、膝蓋或其他身體部位。

麻省理工學(xué)院CSAIL博士生、一篇關(guān)于這項(xiàng)研究的新論文的主要作者羅一岳（Yiyue Loo）說(shuō)：“數(shù)字機(jī)器編織是當(dāng)今紡織行業(yè)非常常見(jiàn)的制造方法，它可以一次性‘打印’設(shè)計(jì)，這使得設(shè)計(jì)更具可擴(kuò)展性?！?。“軟氣動(dòng)執(zhí)行器本質(zhì)上是兼容的、靈活的，與智能材料結(jié)合在一起，它們已成為許多機(jī)器人和輔助技術(shù)中的一種必要力量。借助我們的設(shè)計(jì)工具，快速制造有望增加易用性和普遍性?！?/p>

理解傳感器

該團(tuán)隊(duì)采用的一種傳感類型被稱為“電阻式壓力傳感”，其中執(zhí)行器“發(fā)送”壓力。在制造機(jī)器人抓手時(shí)，它會(huì)試圖抓住物體，壓力傳感器會(huì)感應(yīng)施加在物體上的力有多大，然后它會(huì)嘗試觀察抓取是否成功。另一種類型是“電容式傳感”，傳感器識(shí)別執(zhí)行器接觸的材料的一些信息。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)堅(jiān)固——過(guò)程中沒(méi)有紗線受損。該系統(tǒng)的一個(gè)局限性是，它們僅限于管狀執(zhí)行器，因?yàn)閺呢浖苌虾苋菀踪I(mǎi)到。合乎邏輯的下一步是探索不同形狀的執(zhí)行器，以避免受到單一結(jié)構(gòu)的約束?？茖W(xué)家們將探索的另一個(gè)擴(kuò)展是將該工具擴(kuò)展為一個(gè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的、基于優(yōu)化的設(shè)計(jì)，用戶可以指定目標(biāo)姿勢(shì)和可以自動(dòng)合成的縫合模式。

“我們的軟件工具快速、易于使用，能夠準(zhǔn)確地預(yù)覽用戶的設(shè)計(jì)，允許他們快速迭代，而只需要制作一次。但這一過(guò)程仍然需要人類的一些嘗試和錯(cuò)誤。計(jì)算機(jī)能否解釋紡織品應(yīng)該如何在執(zhí)行器中進(jìn)行物理編程，以實(shí)現(xiàn)豐富的感知驅(qū)動(dòng)行為？這是下一個(gè)前沿，”他說(shuō)安德魯·斯皮爾伯格，哈佛大學(xué)材料科學(xué)和機(jī)械工程博士后，該論文的另一位作者。

羅與前麻省理工學(xué)院CSAIL博士生吳奎、斯皮爾伯格、麻省理工學(xué)院博士后邁克爾·福謝、麻省理工學(xué)院教授托馬斯·帕拉西奧斯、丹尼拉·羅斯和沃伊切赫·馬圖西克共同撰寫(xiě)了這篇論文。他們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)人為因素的ACM會(huì)議上發(fā)表了這篇論文。