学生们最近展示了他们发明的机器人执行器——将能量转化为机器人物理运动的“肌肉”，具备探测穿刺或压力、愈合伤口并修复其损坏的“皮肤”的能力。
内布拉斯加大学林肯分校的一个工程团队正在朝着开发软机器人和可穿戴系统更进一步，这些系统模仿人类和植物皮肤探测及自我愈合伤害的能力。
工程师埃里克·马克维卡（Eric Markvicka）与研究生伊桑·克林斯（Ethan Krings）和帕特里克·麦克马尼戈（Patrick McManigal）最近在乔治亚州亚特兰大的IEEE国际机器人与自动化大会上发表了一篇论文，提出了一种系统层面的软机器人技术方法，能够识别穿刺或极端压力造成的损害，准确定位并自主启动自我修复。
这篇论文是1,606篇投稿中被选为ICRA 2025最佳论文奖决赛入围者中的39篇之一。它还被评选为最佳学生论文奖和机制与设计类别的决赛入围者。
该团队的策略可能有助于克服在开发借鉴自然设计原则的软机器人系统中长期存在的问题。
马克维卡表示：“在我们的社区，正在大力推动使用软材料复制传统的刚性系统，以及生物仿真运动。虽然我们能够创造出可拉伸的电子设备和软性执行器，但它们在应对损伤并启动自我修复的能力上，往往无法模仿生物。”
为了填补这个空白，他的团队开发了一种智能的自愈人工肌肉，采用多层结构，使系统能够识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——所有这些都不需要外部干预。
马克维卡说：“人体和动物是惊人的。我们可能会受伤和淤青，甚至会遭受相当严重的伤害。在大多数情况下，仅借助很有限的外部绷带和药物使用，我们能够自我愈合很多东西。如果我们能够在合成系统中复制这一点，那将真正改变这个领域以及我们对电子产品和机器的理解。”
该团队的“肌肉”——或操控器，机器人的一部分，用于将能量转化为物理运动——由三层构成。底层——损伤检测层——是由液态金属微滴嵌入硅弹性体构成的软电子皮肤。该皮肤粘附在中间层上，自愈成分是刚性的热塑性弹性体。顶部是激励层，当用水施加压力时，激活肌肉的运动。
为了开始这个过程，团队在肌肉的底部“皮肤”上施加五个监测电流，该层与微控制器和传感电路相连。对该层的穿刺或压力损伤触发了电路之间的电网络的形成。系统将这一电气足迹识别为损伤的证据，并随后增加流经新形成电网络的电流。
这使得该网络可以用作局部的焦耳加热器，将电流的能量转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，这种热量融化并重新加工中间的热塑性层，封住损伤——有效地自我愈合伤口。
最后一步是通过擦除底层的损伤电气足迹，将系统重置回原始状态。为此，马克维卡的团队利用了电迁移效应，这是一种电流导致金属原子迁移的过程。这一现象在金属电路中传统上被视为障碍，因为移动的原子会导致变形并在电路材料中形成间隙，导致设备故障和破损。
在一次重大创新中，研究人员利用电迁移来解决长期困扰他们创建自主自愈系统的一个问题：底层损伤引起的电网络的似乎永久性。没有重置基线监测电路的能力，系统无法完成超过一个损伤修复的循环。
研究人员意识到，电迁移——凭借其物理分离金属离子并激发开路故障的能力——可能是擦除新形成电路的关键。这个策略奏效了：通过进一步提高电流，团队可以诱导电迁移和热失效机制，从而重置损伤检测网络。
马克维卡表示：“电迁移通常被视为一个巨大的负面因素。这是阻碍电子微型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特而积极的方式使用它。我们不是试图阻止它发生，而是第一次利用它来擦除我们曾认为是永久的痕迹。”
自主自我愈合技术具有革命性的潜力，可以改变许多行业。在像内布拉斯加这样的农业州，它可以成为频繁遇到树枝、刺、塑料和玻璃等尖锐物体的机器人系统的福音。它还可以彻底改变必须经受日常磨损的可穿戴健康监测设备。
这项技术也将更广泛地惠及社会。大多数消费电子产品的使用寿命只有一到两年，每年产生数十亿磅的电子垃圾。这些废物中含有像铅和汞等毒素，威胁人类和环境的健康。自我修复技术可以有助于遏制这一潮流。
马克维卡说：“如果我们能够开始创造能够可接受地和自主地检测到伤害发生的材料，然后启动这些自我修复机制，那将会真正具有变革性。”
