哈工大刘英想教授团队提出卷绕型人工肌肉性能提升策略

研究背景

柔性驱动技术作为实现软体机器人高柔性、高集成度与多功能性的关键支撑，近年来得到广泛关注并迅速发展。其中，以尼龙纤维为主体制成的卷绕型人工肌肉是一类能够实现线性伸缩变形的柔性驱动器，具备结构紧凑、驱动电压低、输出线性度好等突出优势，是当前研究的热点方向。开发具有更高性能的人工肌肉有助于进一步拓展其在柔性机械臂、仿生灵巧手与小型移动机器人等领域内的应用前景。尽管已有部分工作针对其的变形量或输出力提升方法进行了研究，但是实现二者的协同提升仍面临挑战。因此，探索可同时提升人工肌肉变形量和输出力的策略具有重要意义。

研究进展

首先，受染色体构建过程的启发，团队提出了一种具有双级螺旋结构的卷绕型人工肌肉（TUNA），其由尼龙纤维持续加捻自发形成的自卷绕结构和通过绕轴工艺构建的超螺旋结构组成。该双级螺旋结构通过叠加变形显著提升了人工肌肉的整体变形能力，并且展现了较好的能量储存能力。实验结果表明，TUNA在垂直方向可实现60.2%的收缩变形，在水平方向可达约100%的收缩变形，验证了该结构的可行性和有效性。

其次，团队提出了多纤维并联卷绕策略，通过多根尼龙纤维同时加捻卷绕制备具有更高刚度的纤维束，从而实现人工肌肉输出力的提升。基于该策略制备的人工肌肉在承受超过自重10000倍负载条件下仍可实现12.1%的收缩变形，最大输出力达到11.0N。在此基础上，将多纤维并联卷绕策略应用于构建双级螺旋结构，制备了兼顾大变形量和高输出力的新型人工肌肉(PTUNA)，其输出力相比TUNA提高了439.7%。

最后，团队研制了多款卷绕型人工肌肉驱动的软体机器人，系统验证了所提出的人工肌肉性能提升策略的实用性，有效展示了人工肌肉在实际场景中的应用潜力。具体而言，团队开发了可以模拟篮球运动员的投射动作的仿生手肘，能够分别实现大幅度摆动以及投射小型篮球超过130cm。此外，基于人工肌肉与双稳态机构设计了一款小型跳跃机器人，展现了超过30cm的跳跃高度，相当于自身高度的15倍。同时，团队设计了一款人工肌肉驱动的多自由度仿生手指，具备收缩、扭转与弯曲三种运动模式。该手指在2kg负载下仍可实现15.6%的收缩变形，并且能够输出超过90°的扭转变形。展现出优异的柔性驱动能力。通过多根人工肌肉的协同控制，该手指可实现高精度的姿态调节；其末端可集成激光头，成功模拟了复杂轨迹的激光消融实验，验证了其在精密操作与医疗模拟等场景中的应用潜力。

未来展望

本研究围绕尼龙纤维制成的卷绕型人工肌肉，提出了多种性能提升策略，显著提升了人工肌肉的输出性能，并在实现其大变形和高输出力的兼顾方面取得重要进展，所设计的多款软体机器人为推广人工肌肉的实际应用奠定了坚实基础。在后续研究中，研究团队将进一步探索人工肌肉的低温驱动及快速响应技术，解决现阶段电热驱动中存在的高温与散热问题，推动卷绕型人工肌肉在辅助医疗装备、可穿戴柔性电子设备及移动机器人等领域的广泛应用。

来源: https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0642