“想象一下，我們既能用手指捏起一粒芝麻，也能提起一桶水。無(wú)論外力大小如何變化，肌肉都能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，為下一個(gè)動(dòng)作做好準(zhǔn)備。”中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡(jiǎn)稱蘇州納米所）研究員邸江濤說(shuō)，這就是骨骼肌的彈性驅(qū)動(dòng)特征。
然而，模仿哺乳動(dòng)物骨骼肌設(shè)計(jì)的人工肌肉卻并不具備此類彈性驅(qū)動(dòng)機(jī)制，一旦用較大力度擠壓拉扯，就像一根生銹的彈簧，出現(xiàn)無(wú)法恢復(fù)的不可逆形變，極大限制了人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)精度、重復(fù)性和實(shí)用性。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，邸江濤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種尼龍紗線@聚二甲基硅氧烷（nylon@PDMS）彈性人工肌肉纖維，具有和生物肌肉類似的彈性驅(qū)動(dòng)性能，并基于傳統(tǒng)商業(yè)化材料開發(fā)，為商業(yè)化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。近日，相關(guān)研究發(fā)表于《物質(zhì)》。
審稿人作出高度評(píng)價(jià)，該研究為對(duì)高耐用性和適應(yīng)性有需求的機(jī)器人技術(shù)及可穿戴技術(shù)領(lǐng)域提供重要進(jìn)展與參考。
人工肌肉“彈力”升級(jí)
人工肌肉是模仿哺乳動(dòng)物骨骼肌設(shè)計(jì)的一種柔性驅(qū)動(dòng)器，具備高輸出應(yīng)變、高輸出能量、高輸出功率和大負(fù)載能力等特點(diǎn)，體積小巧、運(yùn)動(dòng)靈活，在柔性機(jī)器人、柔性飛行器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
“然而，目前以碳納米管、尼龍、液晶彈性體、鎳鈦合金絲等材料為主的人工肌肉纖維，在變負(fù)載驅(qū)動(dòng)過(guò)程中存在塑性伸長(zhǎng)現(xiàn)象，尤其是在較重負(fù)載的狀態(tài)。”邸江濤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景中，人工肌肉內(nèi)部應(yīng)力的大小和方向受外部載荷的變化而不斷改變，無(wú)法作出精確反應(yīng)，一旦受力超過(guò)承受范圍，更無(wú)法像生物肌肉般恢復(fù)原狀，嚴(yán)重限制了人工肌肉纖維的實(shí)際應(yīng)用。
如何讓人工肌肉纖維也能有彈性驅(qū)動(dòng)特性，成了擺在無(wú)數(shù)科學(xué)家面前的難題。
邸江濤團(tuán)隊(duì)想了個(gè)新方法。既然受驅(qū)動(dòng)材料和結(jié)構(gòu)的限制，先前人工肌肉纖維存在塑性伸張現(xiàn)象，那么在外面披上一層有彈性的“外衣”呢？
因此，邸江濤團(tuán)隊(duì)嘗試在普通尼龍紗線表面裹上一層聚二甲基硅氧烷（PDMS），這是一種常見的有機(jī)硅化合物，透明、彈性好，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
在連續(xù)變負(fù)載驅(qū)動(dòng)測(cè)試中，他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)芯軸纏繞方法制備的尼龍紗線@聚二甲基硅氧烷人工肌肉纖維表現(xiàn)出良好的彈性驅(qū)動(dòng)行為，在外力狀態(tài)下可以完全拉直，釋放外力后又會(huì)自卷曲，回歸初始的螺旋狀態(tài)。在連續(xù)變負(fù)載驅(qū)動(dòng)測(cè)試中，逐步增加相同的負(fù)載，再逐步減小相同的負(fù)載，纖維長(zhǎng)度和收縮量幾乎不變，和生物肌肉一樣具有出色的彈性和恢復(fù)能力。
一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)
這類新型彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維，誕生于一次意外發(fā)現(xiàn)。
“我們?cè)鞠脒M(jìn)一步提升感知—驅(qū)動(dòng)一體化人工肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)性能，卻在實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，這種彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維具有類生物肌肉的彈性驅(qū)動(dòng)行為。”論文第一作者、蘇州納米所博士后董立忠告訴記者，“我們覺(jué)得這種具有彈性驅(qū)動(dòng)行為的人工肌肉纖維可以在機(jī)器人上做一些工作，于是開始了在飛行器舵機(jī)上的嘗試。”
邸江濤介紹，原本是想根據(jù)飛行控制系統(tǒng)的要求，利用人工肌肉纖維的伸縮調(diào)整飛行器舵面的位置，以實(shí)現(xiàn)飛行器轉(zhuǎn)向。但常規(guī)人工肌肉纖維在變負(fù)載過(guò)程中會(huì)發(fā)生塑性伸長(zhǎng)，影響彈性性能，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，基于其制備的拮抗結(jié)構(gòu)舵機(jī)可控性較差。
“我們想起了此前實(shí)驗(yàn)中的“意外”，彈性驅(qū)動(dòng)行為的人工肌肉纖維正好可以解決這一難題。”團(tuán)隊(duì)決定在飛行器上試一試。
不過(guò)，新的難題又?jǐn)[在他們面前。要讓這類具有彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，必須要經(jīng)過(guò)200℃高溫退火的考驗(yàn)。然而，長(zhǎng)時(shí)間加熱該材料會(huì)破壞其表面靜電紡絲納米纖維結(jié)構(gòu)，影響感知功能。
怎樣讓彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維“不怕火煉”？團(tuán)隊(duì)嘗試了各種方法，但都以失敗告終。
他們決定換個(gè)思路，先把人工肌肉纖維進(jìn)行高溫退火，在外力作用下將其拉直定型，再在表面進(jìn)行靜電紡絲，相當(dāng)于在其外層均勻地“織”上一層納米纖維。之后，釋放外力，彈性驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維會(huì)恢復(fù)原本的螺旋狀態(tài)，且其表面靜電紡絲納米纖維結(jié)構(gòu)也完好無(wú)損。
“這為螺旋纖維的表面功能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種通用策略。”邸江濤告訴記者，人工肌肉纖維在大于50%收縮量的條件下實(shí)現(xiàn)了感知功能集成。
應(yīng)用前景廣闊
“彈性驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維基于傳統(tǒng)商業(yè)化材料開發(fā)，具有良好的市場(chǎng)化前景。”邸江濤介紹。
基于彈性驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維，團(tuán)隊(duì)不僅開發(fā)了人工肌肉纖維拮抗驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，還有一種可自主調(diào)節(jié)壓力的智能壓力帶，具備主動(dòng)節(jié)律性加壓和實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)功能，主動(dòng)施加的最大壓力可以達(dá)到3牛，短時(shí)間工作溫度接近38℃，持續(xù)工作溫度低于人體低溫燙傷極限值的42℃。
“然而，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用對(duì)人工肌肉纖維連續(xù)制備設(shè)備的開發(fā)提出了更高要求。”邸江濤表示，隨著人形機(jī)器人的快速發(fā)展，這類人工肌肉纖維有望在人形機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、可穿戴輔助醫(yī)療等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，“目前我們團(tuán)隊(duì)也正在和相關(guān)企業(yè)一起合作，推動(dòng)該類人工肌肉纖維的批量化制備和推廣應(yīng)用。”
此外，在走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，還需要建立完備的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)記錄彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維在不同條件下的性能表現(xiàn)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供精確的控制參數(shù)，提升實(shí)際操作的精準(zhǔn)度。
然而，在邸江濤眼中，當(dāng)前技術(shù)還存在諸多不足，“電熱驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維存在熱效應(yīng)，導(dǎo)致在某些使用場(chǎng)景中出現(xiàn)熱損傷影響。”他介紹稱，電熱驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維在工作時(shí)，由于材料的散熱速度較慢，響應(yīng)速度也相應(yīng)降低，這也限制了人工肌肉纖維在部分高頻環(huán)境中的應(yīng)用。
“結(jié)構(gòu)與功能相適配是普遍規(guī)律。”邸江濤告訴記者，從應(yīng)用需求角度出發(fā)，開發(fā)適配性良好的人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，成了團(tuán)隊(duì)下一步研究的重點(diǎn)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102281
感知-驅(qū)動(dòng)一體化彈性人工肌肉纖維工作過(guò)程。受訪者供圖
本文鏈接：人工肌肉也能“彈性”十足？他們揭秘彈性驅(qū)動(dòng)新機(jī)制http://www.sq15.cn/show-11-24814-0.html
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