蘇州納米所在纖維驅(qū)動(dòng)器的彈性驅(qū)動(dòng)機(jī)制及應(yīng)用方面取得新進(jìn)展
生物肌肉具有彈性驅(qū)動(dòng)特性：即在可承受的載荷和應(yīng)變條件下完成工作后，肌肉可以完全恢復(fù)至原來松弛狀態(tài)的長(zhǎng)度。這一特征與剛性骨骼結(jié)構(gòu)形成良好適配，以完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景需求。然而，目前發(fā)展的人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器尚不具備該特性，主要是因?yàn)槔w維驅(qū)動(dòng)器在變負(fù)載驅(qū)動(dòng)過程中存在塑性伸長(zhǎng)現(xiàn)象，尤其是在重負(fù)載下。這一問題嚴(yán)重限制了人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)精度、重復(fù)性以及實(shí)用性。
為此，蘇州納米所研究團(tuán)隊(duì)基于低成本纖維材料設(shè)計(jì)了一種尼龍@聚二甲基硅氧烷（nylon@PDMS）人工肌肉纖維。該人工肌肉纖維在經(jīng)歷不同負(fù)載驅(qū)動(dòng)的切換后，能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，并可再現(xiàn)負(fù)載變化前的驅(qū)動(dòng)特性，即表現(xiàn)出和生物肌肉類似的彈性驅(qū)動(dòng)特性。纖維的聚二甲基硅氧烷外層對(duì)彈性驅(qū)動(dòng)起到至關(guān)重要的作用，并賦予纖維良好的彈性拉伸性能。低成本聚合物原材料的使用，為彈性人工肌肉纖維的商業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
基于該彈性驅(qū)動(dòng)機(jī)制，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種人工肌肉纖維拮抗驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，用于替代商用撲翼機(jī)尾部的電控方向舵，實(shí)現(xiàn)飛行方向控制的同時(shí)降低了系統(tǒng)重量。此外，團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了一種可自主調(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，在醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景。
圖1 感知-驅(qū)動(dòng)一體化彈性人工肌肉纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備和表征
彈性人工肌肉纖維連續(xù)變負(fù)載驅(qū)動(dòng)測(cè)試中，逐步增加相同的負(fù)載，然后又逐步減小相同的負(fù)載，在變負(fù)載工作前后同一負(fù)載下纖維長(zhǎng)度和收縮量幾乎不變。而非彈性人工肌肉纖維則存在塑性變形，導(dǎo)致長(zhǎng)度增加，驅(qū)動(dòng)量減小。
圖2 人工肌肉纖維的彈性驅(qū)動(dòng)性能
彈性人工肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)異，其最大收縮行程、做功能力和平均功率密度分別為54%、590 kJ/m3和～80 W/kg，分別是天然肌肉的2.7倍（~20%）、73.8倍（8 kJ/m3）和1.6倍（50 W/kg）。不僅如此，人工肌肉纖維在最大驅(qū)動(dòng)量為54%時(shí)還實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的自傳感路徑追蹤功能。
圖3感知-驅(qū)動(dòng)一體化彈性人工肌肉纖維工作過程
圖4 感知-驅(qū)動(dòng)一體化彈性人工肌肉纖維的電熱驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)路徑追蹤性能
撲翼飛行器實(shí)際飛行測(cè)試過程中，人工肌肉纖維基舵機(jī)不工作時(shí)，拮抗結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，飛行器直行。當(dāng)拮抗結(jié)構(gòu)中右側(cè)纖維收縮時(shí)，使得右側(cè)翼膜受力撐開，飛行器發(fā)生左轉(zhuǎn)；左側(cè)纖維收縮時(shí)，使得左側(cè)翼膜受力撐開，飛行器發(fā)生右轉(zhuǎn)。通過控制右側(cè)和左側(cè)纖維依次工作，飛行器可以實(shí)現(xiàn)先左轉(zhuǎn)后右轉(zhuǎn)的調(diào)控。
圖5人工肌肉纖維基舵機(jī)用于撲翼飛行器飛行方向調(diào)控應(yīng)用展示
基于彈性人工肌肉纖維設(shè)計(jì)的壓力帶主動(dòng)施加的最大壓力可以達(dá)到3 N，短時(shí)間工作溫度接近38 °C，持續(xù)工作溫度低于42 °C（人體低溫燙傷極限值）。壓力帶設(shè)計(jì)了三種預(yù)拉伸狀態(tài)，可適配不同體型人群的需求。假體模型上測(cè)試時(shí)，三種不同預(yù)拉伸應(yīng)變下主動(dòng)施加的壓力分別為3 N、2.5 N和2 N。
圖6 具有壓力調(diào)節(jié)和反饋功能的預(yù)防下肢靜脈疾病壓力帶應(yīng)用展示
相關(guān)工作以Elastic-sheathed artificial muscle fibers delivering natural muscle-like resilient actuation for robotics and wearables為題發(fā)表在Matter上。論文第一作者是中國科學(xué)院蘇州納米所博士后董立忠，通訊作者為邸江濤研究員。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目的支持。上述工作得到了研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室的大力支持。近期，雙方合作將柔性傳感器集成到撲翼飛行器結(jié)構(gòu)件中，實(shí)現(xiàn)了飛行器飛行姿態(tài)的實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)與重構(gòu)，為開發(fā)高效能飛行器奠定了良好的基礎(chǔ)（Small,2025,21,2501012）。
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