【中國(guó)科學(xué)報(bào)】他們讓人工肌肉也“彈性”十足
“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?！敝袊?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(chēng)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(lèi)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)了一種聚二甲基硅氧烷（PDMS）包裹的尼龍紗線彈性人工肌肉纖維，其具有和生物肌肉類(lèi)似的彈性驅(qū)動(dòng)性能，并基于傳統(tǒng)商業(yè)化材料開(kāi)發(fā)，為其市場(chǎng)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)》。審稿人認(rèn)為，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)的研究應(yīng)用提供了重要參考。
有彈性的“外衣”
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)，其體積小巧、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。
“人工肌肉纖維目前以碳納米管、尼龍、液晶彈性體、鎳鈦合金絲等材料為主，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)?！臂〗瓭嬖V《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，就無(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)萌生了一個(gè)新想法：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，那么披上一層有彈性的“外衣”呢？
于是，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，這是一種常見(jiàn)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)，由運(yùn)用芯軸纏繞方法制備的聚二甲基硅氧烷包裹的尼龍紗線彈性人工肌肉纖維表現(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)。在逐步增加相同的負(fù)載，再逐步減小相同負(fù)載的情況下，其纖維長(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。
一次意外發(fā)現(xiàn)
這類(lèi)新型彈性驅(qū)動(dòng)的人工肌肉纖維的誕生，始于一次意外發(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(lèi)生物肌肉的彈性驅(qū)動(dòng)行為?！闭撐牡谝蛔髡?、在蘇州納米所從事博士后研究的董立忠告訴記者，“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)器人領(lǐng)域做一些工作，于是開(kāi)始在飛行器舵機(jī)上進(jìn)行嘗試?！?/p>
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(lèi)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，先對(duì)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)人工肌肉纖維就會(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。
從應(yīng)用需求角度出發(fā)
“彈性驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維基于傳統(tǒng)商業(yè)化材料開(kāi)發(fā)，具有良好的市場(chǎng)化前景?！臂〗瓭榻B。
基于彈性驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維，團(tuán)隊(duì)不僅開(kāi)發(fā)了人工肌肉纖維拮抗驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，還開(kāi)發(fā)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，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42℃的極限值。
“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(kāi)發(fā)提出了更高要求?！臂〗瓭硎?，隨著人形機(jī)器人的快速發(fā)展，這類(lèi)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)這類(lèi)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。
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”。他介紹稱(chēng)，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?！臂〗瓭嬖V記者，從應(yīng)用需求角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)適配性良好的人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，已成團(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
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