软机器人，或那些用橡胶、凝胶和布料等材料制成的机器人，比起更硬、更重的机器人有优势，尤其是在涉及需要人类直接互动的任务时。可以安全、温和地帮助行动不便的人去杂货店、准备饭菜、穿衣服，甚至走路的机器人无疑会改变他们的生活。
然而，软体机器人目前缺乏执行此类任务所需的力量。这个长期存在的挑战——让软体机器人更强大，同时又不影响它们与环境温和互动的能力——限制了这些设备的发展。
考虑到强度和柔软度之间的关系，宾夕法尼亚大学的一个工程师团队设计了一种新型静电控制离合器，它使柔软的机械手能够承受4磅的重量——大约是一袋苹果的重量——是苹果袋的40倍比没有离合器的手可以举起。此外，执行这项需要柔软触感和强度的任务的能力仅需125伏特的电力，是当前离合器所需电压的三分之一。
他们安全、低功耗的方法还可以实现可穿戴软机器人设备，这些设备可以模拟在增强现实和虚拟现实环境中握住物理对象的感觉。
机械工程与应用力学(MEAM)助理教授JamesPikul、MEAM教授兼主席KevinTurner以及材料科学工程的副教授，以及他们的博士学位。学生DavidLevine、GokulanandIyer和DaelanRoosa在《科学机器人》杂志上发表了一项研究，描述了一种新的基于断裂力学的电粘附离合器模型，这是一种可以控制软机器人材料刚度的机械结构。
使用这种新模型，该团队能够实现比当前电粘离合器强63倍的离合器。该模型不仅增加了软体机器人中使用的离合器的力容量，还降低了为离合器提供动力所需的电压，使软体机器人更坚固、更安全。
当前的软机器人手可以握住小物体，例如苹果。由于柔软，机器人手可以巧妙地抓住各种形状的物体，了解举起它们所需的能量，并变得僵硬或紧张到足以拿起物体，这一任务类似于我们用自己的手抓住和握住东西的方式。
电粘离合器是一种薄型装置，可增强材料刚度的变化，从而使机器人能够执行此任务。离合器类似于汽车中的离合器，是系统中运动物体之间的机械连接。在电粘附式离合器的情况下，当施加电压时，两个涂有介电材料的电极会相互吸引。电极之间的吸引力在界面处产生摩擦力，防止两个板相互滑过。电极连接到机械手的柔性材料上。
通过用电压打开离合器，电极彼此粘在一起，机械手比以前能承受更多的重量。关闭离合器可以让两个盘子相互滑过，手也可以放松，这样就可以释放物体了。
传统的离合器模型基于两个平行板之间的库仑摩擦的简单假设，其中摩擦使离合器的两个板不会相互滑动。然而，该模型没有捕捉到机械应力如何在系统中不均匀分布，因此不能很好地预测离合器力容量。它也不够坚固，无法在不使用高压、昂贵材料或密集制造工艺的情况下用于开发更强大的离合器。带有使用摩擦模型创建的离合器的机械手可能能够拿起一整袋苹果，但需要高电压，这使得它对人际互动不安全。
“我们的方法在模型层面解决了离合器的受力能力，”Pikul说。“我们的模型，即基于断裂力学的模型，是独一无二的。我们没有创建平行板离合器，而是将我们的设计基于搭接接头，并检查了这些接头可能发生断裂的位置。摩擦模型假设系统上的应力是均匀的，这是不现实的。在现实中，压力集中在不同的点，我们的模型帮助我们了解这些点在哪里。由此产生的离合器更强大，更安全，因为它只需要传统离合器的三分之一的电压”
“几十年来，这项工作中的断裂力学框架和模型一直用于设计粘合接头和结构部件，”特纳说。“这里的新内容是将该模型应用于电粘式离合器的设计。”
研究人员改进的离合器现在可以很容易地集成到现有设备中。
“基于断裂力学的模型提供了对电粘附离合器工作原理的基本洞察力，帮助我们比摩擦模型更了解它们，”Pikul说。“我们已经可以使用该模型来改进当前的离合器，只需对材料的几何形状和厚度进行非常细微的改变，并且我们可以继续突破极限，并凭借这种新的理解来改进未来离合器的设计。”
为了展示他们的离合器的强度，该团队将其连接到气动手指上。没有研究人员的手拿包，手指在膨胀成卷曲状态时能够承受一个苹果的重量;有了它，手指可以装下一整袋。
在另一个演示中，离合器能够增加肘关节的强度，从而能够在125伏的低能量需求下支撑人体模型手臂的重量。
该团队很高兴深入研究的未来工作包括使用这种新的离合器模型来开发可穿戴的增强现实和虚拟现实设备。
“传统的离合器需要大约300伏的电压，这一水平对于人类互动来说可能是不安全的，”莱文说。“我们希望继续改进我们的离合器，使它们更小、更轻、耗能更少，从而将这些产品带入现实世界。最终，这些离合器可用于模拟VR环境中物体操作的可穿戴手套。”
“目前的技术通过振动提供反馈，但模拟与虚拟对象的物理接触仅限于当今的设备，”Pikul说。“想象一下同时拥有视觉模拟和身处另一个环境的感觉。VR和AR可以用于培训、远程工作，或者只是为那些在现实世界中缺乏这些经验的人模拟触觉和运动。这项技术让我们更接近那些可能性。”
改善人机交互是Pikul实验室的主要目标之一，这项研究带来的直接好处激发了他们自己的研究热情。
“我们在世界上还没有看到很多软机器人，部分原因是它们缺乏力量，但现在我们有一个解决方案来应对这一挑战，”莱文说。“这种设计离合器的新方法可能会带来我们现在无法想象的软体机器人的应用。我想创造出可以帮助人们、让人们感觉良好并增强人类体验的机器人，而这项工作让我们更接近那个目标目标。我真的很高兴看到我们下一步要去哪里。