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『机器人』Nature子刊 | 蜘蛛丝复合材料制备超强韧、高导电率电肌腱( 二 )


【『机器人』Nature子刊 | 蜘蛛丝复合材料制备超强韧、高导电率电肌腱】
『机器人』Nature子刊 | 蜘蛛丝复合材料制备超强韧、高导电率电肌腱
本文插图
图2、DPD模拟中silk-SWCNT纳米复合材料的典型力学测试
探究silk复合肌腱的耐久性
接着 ， 作者使用含有10 wt％SWCNT的S-silk复合材料作为电肌腱 ， 将电肌腱连接到机器人手指的内侧 ， 并使用基于硅树脂的伸肌将其固定在适当的位置 。 当食指完全弯曲时 ， 测量了机器人手指相对于垂直轴的角度变化以及肌腱长度的变化 。 食指在静止状态下的初始角度约为8° ， 当手指从0到5.2 cm被肌腱牵拉到其最终状态时 ， 角度变为73° ， 并且在整个弯曲过程耗时约1.5 s 。 为了确认S-Silk复合肌腱的耐久性 ， 进行了循环弯曲试验 ， 并将结果与其它肌腱材料（天然S-silk、尼龙纤维、PDMS纤维等）进行了比较 ， 发现韧性更高的材料显然更耐久 。 基于韧性为420 MJ/m3的S-silk复合材料的手指在整个弯曲过程中可承受40,000次循环 ， 几乎是天然S-silk的两倍 。 进一步测试了手指举重的能力 ， 所有纤维的直径保持在0.3 mm 。 S-silk复合纤维的手指可以举起7.6 kg的重量（1051.1 N/mm2） ， 与钢纤维的手指（1292.5 N/mm2）相当 ， 但远高于尼龙的手指纤维（766.3 N/mm2）、商用碳纤维（604.7 N/mm2）、天然S丝（537.1 kg/mm2）和PDMS纤维（4.3 N/mm2） 。

『机器人』Nature子刊 | 蜘蛛丝复合材料制备超强韧、高导电率电肌腱
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图3、S-silk复合肌腱装配在机器人手指上的性能
基于肌腱的机器人手的反馈与抓握过程
在机器人手的移动过程中 ， 肌腱还需要稳定地传输来自反馈系统的信号 。 为此 ， 作者设计了一种压力反馈系统 ， 以使手在握住物体时能感觉到手指的压力 。 该压力传感器的灵敏度约为24.8 kPa-1 ， 可以在4 ms之内检测到0-1 kPa的压力 ， 满足抓握实验的要求 。 将压力传感器组装在食指的尖端 ， 并通过100 kΩ的电阻将其连接到肌腱 。 当手指弯曲时 ， 肌腱的电阻几乎保持不变 。 当我们以0、113、327和749 kPa的压力触摸传感器时 ， 手指分别弯曲0°、19°、32°和43° 。 较高的力会导致较大的弯曲角度（Movie 3） 。 利用结合了S-silk复合电肌腱和压力传感器的机器人手来抓住绿色气球 ， 而不会使其形状变形 。 当满足停止压力标准时 ， 手指停止弯曲 ， 使绿色气球保持在三个手指之间的位置 。 这种基于肌腱的机器人手显然足够灵巧 ， 可以执行对日常活动有用的基本抓握功能 。

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图4、人形机器人手抓取物体时的反馈过程
参考文献：A supertough electro-tendon based on spider silk composites . Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14988-5.
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来源：高分子科学前沿


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