【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】人工肌肉是模仿動物肌肉功能的新型驅(qū)動器，多用于軟體/柔性機器人，對未來更具人機親和力的仿生機器人的開發(fā)具有重要意義。在眾多人造材料中，液晶彈性體(LCE)具有與天然肌肉相似的可逆線性驅(qū)動應(yīng)變能力。最近的研究表明，當(dāng)LCE制成纖維時，其較大的比表面積使其能夠?qū)崿F(xiàn)與天然肌肉類似的超快速驅(qū)動。然而，單根纖維無法為實際應(yīng)用提供足夠的力量，多根纖維合并使用時驅(qū)動速度會因為比表面積的減小而降低。因此，人工肌肉目前還未能以實際應(yīng)用的尺寸實現(xiàn)與動物肌肉相當(dāng)?shù)目焖倬�性驅(qū)動。此外大多數(shù)基于智能材料(包括LCE)的人工肌肉的環(huán)境適應(yīng)性有限，主要應(yīng)用場景局限于空氣環(huán)境中，難以像水生動物的肌肉一樣支持軟體機器人的水下運動。即便已有基于介電彈性體的人工肌肉實現(xiàn)了深海驅(qū)動，但其線性變形有限，并且受到破壞時會快速失效，工作魯棒性不足。
 

圖1. 仿生繩結(jié)人工肌肉的設(shè)計和制備
 

　　近日，工學(xué)院研究員劉珂的課題組在國際頂尖期刊Advanced Materials雜志上發(fā)表了題為“Knotted Artificial Muscles for Bio-mimetic Actuation under Deepwater”的研究論文。工學(xué)院博士研究生陳雯慧為該論文第一作者，劉珂，中國科學(xué)院沈陽自動化所副研究員王聰，北大材料科學(xué)與工程學(xué)院教授楊槐為共同通訊作者。該論文提出了一種新的人工肌肉結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，利用液晶彈性體(LCE)制造了具有優(yōu)越驅(qū)動性能的仿生繩結(jié)人工肌肉(圖1)。
 

　　受生物肌肉的分級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該研究將3D打印制成的LCE纖維合成一股，再與柔性加熱絲線編織成特殊的繩結(jié)結(jié)構(gòu)，制備成完整的人工肌肉束，以產(chǎn)生可擴展的驅(qū)動力。其中，平結(jié)的繩結(jié)結(jié)構(gòu)為LCE人工肌肉帶來了額外的結(jié)構(gòu)收縮，使其展現(xiàn)出相比簡單并聯(lián)LCE纖維更快、更大的驅(qū)動。 這樣的平結(jié)人工肌肉還具有強大的環(huán)境適應(yīng)性，不僅能在淺水環(huán)境下實現(xiàn)較快的驅(qū)動，還能在3000m水深的等效水壓下實現(xiàn)1Hz穩(wěn)定循環(huán)驅(qū)動。該研究標志著基于LCE的柔性驅(qū)動器首次在如此極端的環(huán)境下實現(xiàn)驅(qū)動，拓展了LCE人工肌肉的應(yīng)用環(huán)境，為后續(xù)研究指引了方向。除此之外，這樣的仿生繩結(jié)人工肌肉在LCE纖維被全部破壞后還能實現(xiàn)20%的驅(qū)動應(yīng)變，展現(xiàn)出了優(yōu)異的損傷耐受性。仿生繩結(jié)人工肌肉的這些獨特優(yōu)勢，尤其是高驅(qū)動應(yīng)變、魯棒性以及深水適應(yīng)性，為構(gòu)建輕量、智能、高適應(yīng)性的水下機器人提供了全新的動力源。
 

圖2. 仿生繩結(jié)人工肌肉驅(qū)動柔順機構(gòu)可用于遠程體內(nèi)手術(shù)
 

　　并且，由于這樣仿生繩結(jié)人工肌肉是受電驅(qū)動的，所以也可用于遠程操作手術(shù)器械。因此，劉珂課題組開發(fā)了受繩結(jié)人工肌肉驅(qū)動的柔順機構(gòu)，可用于遠程操作體內(nèi)手術(shù)。經(jīng)過拓撲優(yōu)化設(shè)計后的柔順機構(gòu)被含有多根LCE纖維的繩結(jié)人工肌肉驅(qū)動時，能轉(zhuǎn)化出不同方向的位移/力，在模擬環(huán)境中實現(xiàn)給藥、縫合等操作(圖2)，并且加載繩結(jié)人工肌肉的柔順機構(gòu)作為全柔性機構(gòu)不會傷害生物內(nèi)部器官，十分安全，展現(xiàn)出了在遠程體內(nèi)手術(shù)中的強大適應(yīng)性。該研究以“Active compliant mechanisms for optimized actuation by LCE-based artificial muscles”為題發(fā)表在了國際力學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Mechanics of Materials上。工學(xué)院博士研究生陳雯慧為該論文第一作者，工學(xué)院碩士研究生王睿成為共同作者，工學(xué)院研究員劉珂為通訊作者。
 

　　這兩項研究得到了“十四五”國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目、國家自然科學(xué)基金面上項目，以及北京大學(xué)中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費的支持。