内布拉斯加大学林肯分校的工程师团队在软机器人和可穿戴系统领域取得了新的进展，这些系统旨在模仿人类和植物皮肤的损伤检测与自我修复能力。在IEEE国际机器人与自动化会议上，工程师Eric Markvicka、研究生Ethan Krings和Patrick McManigal发表了一篇论文，提出了一种系统级方法，该方法使软机器人技术能够识别穿刺或极端压力造成的损伤，精确定位损伤位置，并自动启动自我修复过程。 该论文被选为ICRA 2025最佳论文奖决赛的39篇论文之一，并且是最佳学生论文奖和机械与设计类别的决赛入围者。该团队的战略可能为解决软机器人系统开发中长期存在的问题提供解决方案，这些问题涉及借鉴自然界的原理。 Markvicka指出：“在我们的领域内，人们热衷于使用软材料复制传统的刚性系统，并且热衷于生物模仿。尽管我们已经能够制造出可拉伸的电子设备和执行器，它们柔软且符合人体工程学，但它们通常缺乏生物体对损伤的反应能力和自我修复功能。” 为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能的、自愈的人工肌肉，具有多层架构，使系统能够识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——这一切均无需外部干预。 Markvicka评论道：“人体和动物的自我修复能力令人惊叹。我们可以遭受割伤和擦伤，承受严重的伤害。在大多数情况下，只需使用少量的外部敷料和药物，我们就能自行修复许多损伤。如果我们能在合成系统中复制这一点，那将彻底改变这个领域以及我们对电子设备和机器的看法。” 该团队的“肌肉”——或称为执行器，即机器人中将能量转化为物理运动的部件——包含三层。最底层——损伤检测层——是一种软电子皮肤，由嵌入硅橡胶弹性体中的液态金属微滴构成。该皮肤附着在中层，即自愈组件，这是一种坚硬的热塑性弹性体。顶层是致动层，当受到水压作用时，它会启动肌肉的运动。 为了启动这一过程，该团队在肌肉底部的“皮肤”上诱导了五个监控电流，该“皮肤”连接到微控制器和传感电路。对这一层的穿刺或压力损伤会触发电气网络的形成。系统将此电气足迹视为损伤的证据，并随后增加通过新形成的电气网络的电流。 这使得该网络能够 functioning as a local Joule heater, 将电能转换为损伤区域的周围热量。几分钟后，这种热量会熔化和再加工中间的热塑性层，从而密封损伤——有效地实现自我修复。 最后一步是通过擦除底层损伤的电气足迹将系统重置回其原始状态。为此，Markvicka的团队正在利用电迁移的影响，这是一个电流导致金属原子迁移的过程。这种现象传统上被视为金属电路中的障碍，因为移动的原子会变形并在电路的材料中引起间隙，导致设备故障和损坏。 在主要的创新中，研究人员正在使用电迁移来解决长期困扰他们创建自主、自愈系统的问题：底层损伤诱导的电气网络似乎是不可逆转的。如果没有重置基线监控痕迹的能力，系统就无法完成多个损伤和修复周期。 研究人员意识到，具有物理分离金属离子和触发开路故障能力的电迁移可能是擦除新形成的痕迹的关键。该策略有效：通过进一步增加电流，该团队可以诱导电迁移和热故障机制，以重置损伤检测网络。 Markvicka说：“电迁移通常被视为巨大的负面因素。它是阻碍电子设备小型化的瓶颈之一。我们在这里以独特和非常积极的方式使用它。我们不是试图防止它发生，而是第一次利用它来擦除我们曾经认为是永久的痕迹。” 自主自愈技术有可能彻底改变许多行业。在内布拉斯加这样的农业州，它可能对经常遇到尖锐物体（如树枝、荆棘、塑料和玻璃）的机器人系统有益。它还可以彻底改变必须承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。 该技术也将更广泛地造福社会。大多数基于消费者的电子产品只有一两年的使用寿命，每年产生数十亿磅的电子废物。这些废物含有铅和汞等毒素，威胁人类和环境健康。自愈技术可以帮助控制这种潮流。 Markvicka说：“如果我们能够开始创造出能够及格和自主地检测损伤发生的时间，然后启动这些自我修复机制的材料，那将真正具有变革性。”
