由萨尔兰大学智能材料专家 Stefan Seelecke 教授和 Gianluca Rizzello 青年教授领导的研究团队正在探索软体机器人这一令人兴奋的领域的基本方面。.

在未来的工厂里，人类和机器将并肩工作，和谐共处，组成团队，在必要时携手合作，就像协作机器人拥有血肉之躯一样。尽管协作机器人（“cobot”）已经在工业生产线上得到应用，但机器人与人类之间真正意义上的“手把手”协作仍有很长的路要走。问题在于人类协作者与机器人之间的物理距离，他们的行为——与机器人不同——并不遵循可预测的算法。人类工人可能会感到疲倦或注意力分散，从而做出突然甚至不合逻辑的行为。这显然会带来安全隐患，也解释了为什么目前生产线上使用的机械臂通常都放置在防护笼中。对于任何过于靠近的人来说，都可能造成危险。工业机器人通常是体型庞大、重量沉重的机器。但它们也拥有强大的动力、快速的运行速度和灵活的操控性，可用于焊接、组装、喷漆、堆垛和起重等各种作业。然而，它们的运动完全由控制它们的程序决定。如果有人挡路或靠得太近，后果可能不堪设想。

由萨尔兰大学和萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心 (ZeMA) 的 Stefan Seelecke 教授和 Gianluca Rizzello 青年教授领导的团队正在研发新型智能机械臂。“我们的技术基于智能聚合物系统，能够制造出比目前使用的刚性部件更轻便、更灵活、更易于操控的新型软体机器人工具，”Stefan Seelecke 解释道。未来，如果被这些机械臂意外碰一下，感觉就像被同事轻轻推了一下（而且不太可能让你住进医院）。这些

新型软体机械臂使用的材料是一种名为“介电弹性体”的特殊聚合物。萨尔布吕肯的研究人员利用这种复合材料制造人造肌肉和神经。介电弹性体的特殊性能使其能够开发出受自然界巧妙设计启发而产生的系统。这些弹性体可以被压缩，然后又能拉伸回原来的形状。“我们在弹性体材料的两侧印刷电极。施加电压后，两个电极相互吸引，压缩聚合物并使其横向膨胀，”意大利高等研究院聚合物自适应系统青年教授詹卢卡·里泽洛博士解释道。这位意大利研究员自2016年以来一直在塞勒克团队工作。因此，这种弹性体可以像肌肉组织一样收缩和放松。“我们利用这一特性来设计我们的致动器，”里泽洛解释说。通过精确地改变电场，工程师可以使弹性体进行高频振动或连续变化的弯曲运动，甚至可以使其保持在特定的所需中间位置。

研究人员随后将大量这样的微型“肌肉”组合起来，制成柔性机械臂。当以这种方式组合形成机械触手时，肌肉之间的相互作用会产生类似章鱼触手的运动，可以向各个方向旋转。与目前使用的笨重、僵硬的机械臂（如同人类一样，只能朝特定方向移动）不同，这些新型机械触手几乎可以自由地向任何方向移动。Gianluca Rizzello 和他的博士生 Johannes Prechtl 凭借他们基于介电弹性体开发的触手原型，在近期的 RoboSoft 2021 大会上荣获最佳论文奖——这只是 Seelecke 教授研究团队获得的众多荣誉之一。该团队预计将在一年左右的时间内完成触手原型的开发。
在赋予聚合物材料智能方面，Gianluca Rizzello 是一位真正的专家。他为控制单元（即机器人的“大脑”）提供智能移动手臂所需的数据——这是一项非常复杂且极具挑战性的任务。这些系统比目前的机械臂复杂得多。“使用人工智能控制聚合物基组件比控制传统的机电一体化系统要困难得多，”Rizzello 解释道。由于弹性体肌肉也具有感觉特性，它们可以充当系统的神经，这意味着机械臂无需配备额外的传感器。弹性体的每一次形变，每一次几何形状的变化，都会导致材料电容的变化，这使得研究团队能够为弹性体的任何特定形变赋予一个精确的电容值。“通过测量电容，我们可以准确地知道弹性体的形状，从而从传感器中提取数据，”里泽洛解释道。“

这些定量数据随后可用于精确建模和编程弹性体手臂的运动。”里泽洛的研究重点是开发智能算法，以训练这些新型机械触手按需移动和响应。“我们正在努力发现哪些物理特性决定了这些聚合物的行为。”里泽洛博士说，“我们了解得越多，就能越精确地设计控制弹性体肌肉的算法。”

这项在萨尔州开发的技术将具有可扩展性。它可以用于制造医疗器械的微型触手，或用于工业应用的大型机械臂。但与目前使用的笨重机械臂不同，采用智能弹性体制造的机械臂将轻得多。我们的机械臂无需电机、液压或气动系统驱动；只需施加电流即可运行。此外，弹性体肌肉可以根据特定应用的需求制成各种形状。而且，它们的耗电量极低。根据电容的不同，电流强度在微安级。“这种软体机器人技术前景广阔，因为它的制造过程节能且成本低廉，”Stefan Seelecke总结道。

这项研究得到了德国研究基金会（DFG）通过优先项目SPP2100“软材料机器人系统”的支持。