『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 ) |南洋理工大学|

【『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）。

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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