蘇州納米所在人工神經(jīng)肌肉纖維方面取得新進(jìn)展
生物體可以感知外部刺激并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織的協(xié)同作用對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。例如，蝸牛的觸角在被觸摸時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮，這種應(yīng)激性反應(yīng)有助于蝸牛避免突然的危險(xiǎn)，并增加其對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性。隨著軟體機(jī)器人的快速發(fā)展，利用這種簡(jiǎn)單的融合系統(tǒng)，可以使未來(lái)機(jī)器人更加智能和逼真。此外，結(jié)構(gòu)緊湊的多功能人工肌肉纖維有望簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)單元、力傳感器和圖像識(shí)別模塊等多組件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)感知-驅(qū)動(dòng)功能一體化，從而輕便和靈活化軟體機(jī)器人的感知與驅(qū)動(dòng)單元。
在人工肌肉纖維中集成感知功能以適應(yīng)環(huán)境的變化和實(shí)現(xiàn)路徑的實(shí)時(shí)追蹤是非常必要的，但由于人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)層和傳感層之間的界面不匹配，仍然具有挑戰(zhàn)性。團(tuán)隊(duì)在先前工作的基礎(chǔ)上（Mater. Horiz., 2021, 8, 2541–2552），受蝸牛觸角啟發(fā)，提出了人工神經(jīng)肌肉纖維的概念。通過(guò)將CNT纖維芯依次包裹在硅膠彈性體層、納米纖維網(wǎng)絡(luò)和MXene/CNTs薄鞘中的精巧同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得人工神經(jīng)肌肉纖維在同一根纖維上實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)-感知-反饋的功能。精巧的結(jié)構(gòu)集成中最關(guān)鍵是使用了納米纖維界面，其輔助傳感層實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)追蹤驅(qū)動(dòng)過(guò)程但又不限制肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)行程。這項(xiàng)工作為未來(lái)小型化智能軟體機(jī)器人的閉環(huán)控制提供了創(chuàng)新的解決方案。
人工神經(jīng)肌肉纖維精巧的同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，CNT/硅膠彈性體組件提供了驅(qū)動(dòng)功能，而鞘層三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由于其靈敏的應(yīng)變阻值變化特性，實(shí)現(xiàn)了觸摸/拉伸感知和無(wú)滯后的循環(huán)驅(qū)動(dòng)追蹤功能。作為一個(gè)整體，該同軸結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)介電電容器，實(shí)現(xiàn)了靈敏的非接觸感知功能。（圖1）
圖1. 集成感知-驅(qū)動(dòng)-反饋功能的人工神經(jīng)肌肉纖維的概念示意圖
接近感知信號(hào)在不同接近速度下的敏感性可以用來(lái)感知外部行為是友好的還是危險(xiǎn)的。例如，在日常生活中，握手動(dòng)作是一個(gè)相對(duì)較慢的過(guò)程，可以通過(guò)低接近速度的感應(yīng)信號(hào)來(lái)識(shí)別（圖2j的黑色曲線）；相反，擊打動(dòng)作是一個(gè)相對(duì)較快的過(guò)程，可以通過(guò)高接近速度的感應(yīng)信號(hào)來(lái)識(shí)別（圖2j的棕色曲線）。人工神經(jīng)肌肉纖維識(shí)別接近信號(hào)速度的能力，對(duì)于未來(lái)的智能機(jī)器人采取一系列環(huán)境適應(yīng)行為非常重要。（圖2）
圖2. 人工神經(jīng)肌肉纖維在接觸模式下的壓力/拉伸感知性能和在非接觸模式下的接近感知性能
人工神經(jīng)肌肉纖維在驅(qū)動(dòng)全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了無(wú)遲滯的路徑追蹤功能。無(wú)遲滯的路徑追蹤意味著，無(wú)論人工神經(jīng)肌肉纖維是收縮還是恢復(fù)狀態(tài)，纖維的位置狀態(tài)都可以通過(guò)鞘層的相對(duì)電阻變化來(lái)識(shí)別。目前報(bào)道的自傳感人工肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)和反饋信號(hào)之間普遍存在遲滯性問題，這導(dǎo)致了很難區(qū)分人工肌肉纖維的位置狀態(tài)，因?yàn)橐粋€(gè)相對(duì)電阻變化值可能對(duì)應(yīng)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期中的兩個(gè)或多個(gè)不同的位置狀態(tài)。由于螺旋狀人工肌肉纖維在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化非常復(fù)雜，可能包括扭轉(zhuǎn)、膨脹和彎曲，因此，原位復(fù)制結(jié)構(gòu)形變對(duì)于鞘層去追蹤驅(qū)動(dòng)的變化是非常重要的。本工作中，引入人工神經(jīng)肌肉纖維的三維多孔納米纖維層的作用不僅是增加了與MXene/CNT鞘層的結(jié)合，而且還提供了對(duì)PDMS層驅(qū)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)的原位形變復(fù)制功能。（圖3）
圖3. 人工神經(jīng)肌肉纖維的電熱驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)路徑追蹤性能
模擬生物體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，利用按壓、拉伸和接近的多模態(tài)感知信號(hào)來(lái)觸發(fā)人工神經(jīng)肌肉纖維進(jìn)行工作的應(yīng)用場(chǎng)景如圖4所示。在結(jié)合電路控制設(shè)計(jì)的起重機(jī)模型中，當(dāng)人工神經(jīng)肌肉纖維通過(guò)觸摸（或接近）進(jìn)行短暫的外部刺激時(shí)，該纖維可以檢測(cè)到電阻的變化（或電容的變化）。一旦激發(fā)信號(hào)達(dá)到設(shè)定的閾值，人工神經(jīng)肌肉纖維被觸發(fā)收縮，通過(guò)杠桿臂提升物體。同時(shí)，通過(guò)人工神經(jīng)肌肉纖維鞘層的相對(duì)電阻變化，物體運(yùn)動(dòng)和纖維工作過(guò)程中的位置變化被原位追蹤。
圖4. 人工神經(jīng)肌肉纖維的應(yīng)用場(chǎng)景展示
相關(guān)工作以Artificial Neuromuscular Fibers by Multi-Layered Coaxial Integration with Dynamic Adaption為題發(fā)表在Science Advances上。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士研究生董立忠，通訊作者為李清文研究員和邸江濤研究員。蘇州納米所輕量化實(shí)驗(yàn)室王光華和張士欽在控制電路設(shè)計(jì)方面提供了技術(shù)支持。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB1312902）和國(guó)家自然科學(xué)基金（21975281）等項(xiàng)目的支持。
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