利用控制工程工具掌握大规模生产的人造肌肉

高木健太郎(Kentaro Takagi)暂停了一段展示他最早创作的一些作品的视频——蛇形和鱼形机器人利用电控塑料条在水下扭动和游泳——之后不久，他反思了他的学科在过去20年里所经历的迅速转变。

“当我2004年开始研究人工肌肉技术时，软机器人领域甚至还没有诞生，”他说。“但现在，我们在日本工业界有合作伙伴，希望开发使用聚合物驱动器和传感器的新产品。他们需要大规模生产的设计指南。”

高木是丰田工业大学机械工程专业的教授，他带领着一个研究生团队，希望通过实施控制工程的严格规则，开创一个软机器人的新时代。控制工程是一种使用数学建模来近似和优化复杂系统行为的方法。

湿滑的传感器

高木雷达上的人造肌肉包括离子聚合物-金属复合材料，一种当电压施加到其上时就会卷起的薄膜。但是预测这些肌肉运动的速度和精确度是很棘手的，因为这些肌肉的运动与一些随时间和空间快速变化的变量有关，比如细胞膜内的离子浓度。

高木说:“控制高分子材料的方程式非常复杂，很难求解。”“工程师通常使用有限元分析软件，但它有很高的成本——财务、计算和人力资源方面。”

为了逼近复杂的方程，研究小组求助于一种被称为符号有限元离散化的数学技术。符号分析产生的不是数值结果，而是将系统性能与各种设计参数联系起来的方程。通过对基于离子聚合物-金属复合材料的传感器建模，Takagi的团队能够以典型计算成本的一小部分准确预测高离子浓度的区域。

钓鱼寻找无声的马达

日本汽车零部件制造商电装公司(DENSO CORP.)最近找到高木，希望解决电动汽车采用带来的一个意想不到的副作用:消费者现在希望所有的内部发动机，比如电风扇，都能像电池驱动的发动机一样静音。

电装公司(DENSO CORP.)利用扭曲的聚合物鱼线开发出了一种无声马达，这种鱼线遇热会扭曲，其机械功率是人类肌肉的数百倍。高木帮助该公司了解高度扭曲的几何图形如何以乍一看似乎与直觉相反的方式移动。

智能升级

高木解释说:“当我们扭曲纤维时，聚合物链变得倾斜，这就改变了收缩和膨胀的方向。”“如果你做更多的扭转，你最终可以降低线圈的张力，同时仍然有高扭矩。这对于理解这些盘绕的鱼线肌肉是如何收缩的至关重要。”

高木的实验室现在正寻求拓展一个被他称为智能材料机器人的领域。“能够模拟几种不同的聚合物驱动器材料是我们的优势;世界上能做到这一点的地方有限，”高木说。“我们正在寻求利用控制工程工具箱将材料科学家和机器人研究人员联系起来。”