18世纪末，在法国出生的英国物理学家丹尼斯·帕潘(压力锅的发明者)提出了活塞原理，活塞在许多机器和设备中被用来利用流体的力量进行工作。
传统的活塞由刚性腔室和内部活塞组成，活塞可以沿着腔室内壁滑动，同时保持严密的密封。因此，活塞分成两个空间，其中充满了两种流体，并连接到两个外部流体源。如果流体的压力不同，活塞就会向压力较低的方向滑动，同时可以带动轴或其他装置的运动来做体力工作。这一原理已被用于许多机器的设计，包括各种活塞发动机，液压升降机和起重机，如在建筑工地上使用的，和电动工具。
然而，传统的活塞有几个缺点:运动活塞与腔壁之间的高摩擦可能导致密封失效，泄漏，并逐渐或突然故障。此外，特别是在较低的压力谱中，能源效率和响应速度往往是有限的。
现在，哈佛大学威斯生物工程研究所、哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组机器人专家，麻省理工学院(MIT)已经开发出一种设计活塞的新方法，用一种在软材料薄膜内使用可压缩结构的机制取代传统的刚性元件。
由此产生的“张力活塞”产生的力是同类传统活塞的三倍多，消除了大部分摩擦，在低压下能源效率最高可提高40%。这项研究发表在先进功能材料。
这些“张力活塞”的结构与软，灵活的材料是活塞结构的一个根本的新方法，打开了广泛的设计空间。它们可以被放入机器中，取代传统的活塞，提高能源效率。”Wyss研究所创始核心教员和共同通讯作者Wood博士，他也是SEAS工程和应用科学查尔斯河教授，也是Wyss研究所仿生软机器人项目的联合领导。“重要的是，这个概念还使一系列新的几何形状和功能变化，可能使工程师发明新的机器和设备，并使现有的小型化。”
伍德与麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)教授兼主任Daniela Rus博士以及博士后李曙光博士共同领导了这项研究。
张力活塞概念建立在该团队的“流体驱动折纸灵感人工肌肉”(FOAMs)的基础上，使用软材料给软机器人更多的动力和运动控制，同时保持其灵活的结构。泡沫塑料是由折叠结构制成的，该结构嵌入在柔软且密封的皮肤中的流体中。改变流体压力会触发类似折纸的结构沿着预先配置好的几何路径展开或折叠，从而导致整个泡沫的形状变化，使其能够抓取或释放物体，或执行其他类型的工作。
“原则上，我们探索了在刚性腔室中使用泡沫作为活塞的方法，”李说。“通过使用柔性薄膜连接到内部可压缩骨架结构，并将其连接到两个流体端口中的一个，我们可以创建一个独立的流体隔间，展示活塞的功能。”
研究人员表明，在室膜周围的第二个流体储层中，驱动压力的上升增加了膜材料的张力，而张力直接传递到结合的骨骼结构。通过物理连接的骨架与一个到达外腔的驱动元件，骨架的压缩与活塞外部的机械运动耦合。
“更好的活塞可以从根本上改变我们设计和使用许多类型的系统的方式，从减震器、汽车发动机到推土机和采矿设备，”罗斯说，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学的安德鲁(1956年)和厄纳·维特比教授。“我们认为，这样的方法可以帮助工程师设计出不同的方法，使他们的产品更强大、更节能。”
研究小组在一项物体粉碎任务中测试了他们的活塞与传统活塞的对比，结果显示，在更低的输入压力下(在皮肤周围的流体腔中产生的压力)，活塞可以粉碎像木铅笔这样的物体。在相同的输入压力下，特别是在较低的压力范围内，张力活塞产生了3倍以上的输出力，并通过利用柔性蒙皮材料中的流体诱导张力提高了40%以上的能源效率。
“通过将可压缩骨架配置成非常不同的几何形状，如一系列离散的圆盘、铰接骨架或弹簧骨架，输出的力和运动变得高度可调，”Li说。“我们甚至可以将多个张力活塞合并到一个腔室中，或者更进一步，用一种像气密尼龙织物这样的柔性材料来制造周围的腔室。”
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