便携式流体引擎赋能软体机器人，提升辅助设备效能

北卡罗来纳州立大学的研究团队开发出一种轻量化的便携式流体引擎，可为模仿肌肉行为的软体机器人提供动力。这种新型引擎具有无需外部电源供能且能够产生显著力输出的特点，为辅助设备和可穿戴技术开辟新方向。研究团队的论文《用于高力软体可穿戴机器人的便携式流体引擎》（Untethered Fluidic Engine for High-Force Soft Wearable Robots）已在《先进智能系统》（Advanced Intelligent Systems）期刊上公开发表。团队认为，这项突破性技术不仅展示流体动力学在机器人领域的新潜力，还为开发高性能、低成本的辅助设备奠定坚实基础。

突破传统局限：摆脱外部供能束缚

传统的流体动力机器人通常依赖液压或气动系统，通过外部电源（如大型空气压缩机）驱动。这种设计虽然能够模仿肌肉的伸缩运动，但其物理连接的限制显著降低了设备的实用性。此外，现有的一些便携式流体引擎虽然摆脱外部电源，但在产生力的大小上存在明显不足，难以满足实际应用需求。

针对这些问题，研究团队开发一种全新的流体引擎。北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授、论文通讯作者Hao Su表示：“我们的研究成果解决现有技术的两个主要问题。新引擎不仅不依赖外部供能，还能够产生高达580牛顿的力，远超现有便携式引擎的性能。”

新型流体引擎的核心原理

这款流体引擎通过电池供电，驱动高扭矩马达，将油泵送进软体机器人内部的一个腔室。随着油的注入和抽出，腔室内的压力变化驱动软体机器人的“肌肉”进行收缩和放松运动，模拟自然肌肉的功能。

软体机器人的这种灵活性使其在辅助设备中具有独特优势，例如帮助用户恢复上肢或下肢运动能力。研究团队的首席作者、北卡州立大学博士后研究员安东尼奥·迪·拉洛（Antonio Di Lallo）强调：“我们的流体引擎在摆脱外部供能的同时，依然保持低重量设计，并在力输出方面达到前所未有的水平。”

性能测试与实际应用前景

在验证性实验中，研究人员评估新引擎的力输出能力和能量转化效率。实验结果显示，该引擎能够将电能高效转化为流体动力，效率超越此前所有便携式流体引擎。此外，该装置的重量轻巧，易于集成到各种穿戴式设备中。

这款流体引擎的一个显著优势是其“高力—轻量”性能组合。引擎的最高力输出可达到580牛顿，相当于一个成人能够施加的中等力度，这使得它足以应对辅助设备中的复杂任务，例如支撑患者的关节动作或增强用户的力量。

潜在应用领域

研究团队表示，这项技术的潜在应用范围广泛。软体机器人具备柔性和适应性，可以广泛用于医疗辅助设备、康复治疗、以及老年人健康管理等领域。此外，这种便携式流体引擎还能推动软体机器人在工业自动化和服务机器人领域的应用，例如搬运物品或在危险环境中执行任务。

论文中提到，该技术还具备高扩展性，能够通过模块化设计支持多种用途。团队的下一步计划是优化引擎的能量管理系统，并探索将其应用于复杂任务场景中，如多功能康复机器人和可穿戴医疗设备。

“软体机器人在医疗和辅助技术中的应用潜力巨大。我们的研究表明，这种便携式流体引擎能够实现更稳定、高效的操作体验，”Hao Su教授总结道，“未来，这项技术将改变我们与机器人技术互动的方式，特别是在医疗康复领域。”

参考文献：

[1]Matt Shipman. Portable engine can power artificial muscles in assistive devices[EB/OL](2024-07-01).https://techxplore.com/news/2024-07-portable-power-artificial-muscles-devices.html.