无论是帮助失去肢体的人的动力假肢，还是在外部世界导航的独立机器人，我们都要求机器执行日益复杂、动态的任务。但标准电动机是为稳定、持续的活动而设计的，例如运行压缩机或旋转传送带，即使更新的设计在进行更复杂的运动时也会浪费大量能量。
斯坦福大学的研究人员发明了一种增强电动机的方法，使其能够通过新型执行器(一种利用能量使物体移动的装置)更有效地执行动态运动。他们的致动器发表在《科学机器人》杂志上，使用弹簧和离合器来完成各种任务，而能耗仅为典型电动机的一小部分。
“我们的执行器不是浪费大量电力只是坐在那里嗡嗡作响并产生热量，而是使用这些离合器来实现我们在连续过程中从电动机看到的非常高的效率，而不放弃可控制性和其他功能，使电动马达很有吸引力，”机械工程副教授、该论文的资深作者史蒂夫·柯林斯(SteveCollins)说。
传统电机提供动力输入和精细扭矩控制，一系列弹性体弹簧提供高效的扭矩产生和能量回收。低功率离合器快速接合和分离弹簧，并在分离时保持弹簧伸展。通过选择接合哪些弹簧来控制弹簧扭矩。我们开发了一个原型执行器来演示这些特性。图片来源：埃雷兹·克里姆斯基
迅速采取行动
执行器的工作原理是利用弹簧的能力来产生力而不使用能量——弹簧抵抗被拉伸并在释放时尝试弹回其自然长度。例如，当执行器降低重物时，研究人员可以接合弹簧，使其伸展，从而减轻电机的部分负载。然后，通过将弹簧锁定在伸出位置，可以存储能量以协助电机稍后完成另一项任务。
快速有效地接合和分离弹簧的关键是一系列电粘附离合器。每个橡胶弹簧都夹在两个离合器之间：一个将弹簧连接到接头以协助电机，另一个在不使用时将弹簧锁定在拉伸位置。
这些离合器由两个电极组成，一个连接到弹簧，一个连接到框架或电机，当它们不活动时，它们可以平滑地相互滑动。为了接合离合器，研究人员向其中一个电极施加大电压。电极被拉到一起时会发出咔嗒声，就像静电的更快、更强的版本一样，当你在地毯上摩擦气球后，它会使气球粘在墙上。释放弹簧就像将电极接地并将其电压降至零一样简单。
该论文的主要作者埃雷兹·克里姆斯基(ErezKrimsky)最近完成了他的博士学位，他说：“它们重量轻、体积小、真正节能，并且可以快速打开和关闭。”在柯林斯的实验室里。“如果你有很多紧握的弹簧，它就为你如何配置和控制它们以实现有趣的结果提供了所有这些令人兴奋的可能性。”
柯林斯和克里姆斯基制造的执行器有一个电机，增强了六个相同的离合弹簧，可以以任何组合接合。研究人员对设计进行了一系列具有挑战性的运动测试，包括快速加速、变化的负载以及平稳、稳定的运动。在每项任务中，增强型电机的功耗比标准电机至少少50%，在最佳情况下，功耗可降低97%。
可以做更多事情的电机
有了更高效的电机，机器人可以走得更远，完成更多任务。一个可以运行一整天的机器人，而不是只需要充电一两个小时的机器人，有潜力承担更有意义的任务。在很多不安全的情况下——涉及有毒物质、危险环境或其他危险——我们宁愿派遣机器人，也不愿让人类冒险。
“这对假肢或外骨骼等辅助设备也有影响，”克里姆斯基说。“如果你不需要不断地给它们充电，它们可以对使用它们的人产生更重大的影响。”
目前，执行器的控制器需要几分钟的时间来计算出使用弹簧组合来完成全新任务的最有效方法，但研究人员计划大幅缩短该时间。他们设想了一个系统，可以从以前的任务中学习，创建一个不断增长的日益高效的动作数据库，并使用人工智能凭直觉了解如何有效地完成新任务。
柯林斯说：“我们想做一些小的控制和设计调整，但我们认为这项技术确实已经做好了商业转化的准备。”“我们很高兴尝试将其从实验室中分离出来，并成立一家公司，开始为未来的机器人制造这些执行器。”