江苏大学胡兴好等 PNAS：快速、变刚度诱导的编织卷绕型人工肌肉

2024-11-10 来源：高分子科技

近年来，开发同时具备响应速度快、绝对输出功大的纤维人工肌肉对其在柔性可穿戴外骨骼等领域中的应用具有重要意义。加捻卷绕型人工肌肉具有媲美自然肌肉的性能而被广泛研究。然而由于加捻纤维的捻度从表面到其中心逐渐递减，处于中心部分的纤维对人工肌肉驱动性能的贡献甚微，这意味着在纤维中心的输入能量没有得到有效利用。有研究通过鞘-芯结构、中空结构来解决响应速度和能量效率问题。然而，这种中空结构需要较厚的壁厚来避免扭转引起的管塌陷，这增加了肌肉重量，减少了输出功。

为解决上述科学问题，近日，江苏大学胡兴好副教授等提出编织包覆中空管构筑编织卷绕型人工肌肉的新方法，并提出了变刚度的驱动理论。具体原理为：在气压作用下，中空管带动编织管直径膨胀，肌肉刚度随之增加，进而导致肌肉在拉伸负载下收缩，在压缩负载下伸长。该肌肉可在低气压下实现快速、大冲程和高频驱动。此外，由于其低成本、高性能和易于制造，编织卷绕型人工肌肉（BCM）满足了当前机器人驱动应用的需求。最后，团队设计了三种机器人，包括爬行机器人、行走机器人和攀爬机器人，展示了其在智能机器人中的应用。爬行机器人可以达到22.5 cm/s (2.25个身体长度/秒)的速度；行走机器人可以达到12.5 cm/s的速度直线行走，也可以在14秒内以0.1cm^-1的曲率转动方向，同时保持1.1 cm/s的最大速度。

该研究成果以“Fast, variable stiffness-induced braided coiled artificial muscles”为题发表在国际知名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上。

该论文署名江苏大学机械工程学院为第一单位,胡兴好副教授为第一作者，硕士生王翔宇和硕士生王健为共同第一作者，通讯作者为胡兴好副教授、程广贵教授、丁建宁教授和德克萨斯大学达拉斯分校雷伊·鲍曼院士。该项工作得到国家自然科学基金、中国博士后基金、中国科协青年人才托举工程和江苏省优秀青年基金等项目的资助。

图1.编织卷绕型人工肌肉的制作与结构。（a）制造BCM的示意图。（b）扫描电镜图像显示中空管的横截面，其内壁表面涂有炭黑以提供导电性。（c-e）SEM电镜图像显示了不同放大倍数下的中空管内壁，表明炭黑均匀地涂覆在中空管内壁上。

图2. 编织卷绕型人工肌肉的驱动性能测试。（a）在不同负载下，BCM收缩率与气压之间的关系。虚线表示该BCM的相邻线圈接触。（b）在不同弹簧指数下，BCM的收缩率与负载之间的关系。本实验使用的空气压力为0.14 MPa，最大收缩率为70%。（c）不同弹簧指数BCM工作能力与负载之间的关系。（d）在不同负荷下的BCM收缩率与频率之间的关系。施加的空气压力为0.12 MPa。（e）在155 g负载下BCM的收缩功率密度和收缩效率与频率之间的关系。（f）在施加0.1 MPa气压、125 g负载下以5Hz气动驱动时BCM的驱动周期。其中插入图提供了五个的驱动周期。

图3. 编织卷绕型人工肌肉的无泵驱动性能。（a）液气相变引起的体积膨胀示意图。（b）当施加0.008 Hz，10.5 V方波电压时，在50 g负载下，BCM中空管的体积变化与肌肉表面温度的变化之间的关系。（c）当0.008 Hz， 10.5 V电压作用于BCM导电内表面时，BCM收缩率与时间之间的关系。（d）在0%预应变时，BCM的产生的力和相应肌肉表面温度与时间之间的关系。

图4.编织卷绕型人工肌肉的驱动机制。受力F时BCM受力分析示意图。符号为：施加的拉力（F）、F对编织管截面产生的扭矩（M）、负载状态下单个编织纤维所受的剪切力（F_i）、人工肌肉半径（R）、编织角（α）和编织纤维线半径（r_b）。

图5. 编织卷绕型人工肌肉在机器人上的应用。（a）（上）使用三个BCM的攀爬机器人示意图。（下）实时图片显示机器人能够沿着一根电线爬。（b）（上）由两个BCM组成的攀爬机器人示意图。（下）机器人以22.5cm s^?¹的速度在地上行走的光学图像。（c）（上）由8个BCM组成的双足机器人示意图。（下）双足机器人以12.5cm s^?¹的速度在地上行走的光学图像。（d）一个由BCM驱动的机械臂（C = 2.3），能够举起各种重量物品。葡萄、玩具车和小鸡玩具的重量分别是46 g、50 g和32 g。施加的气压为0.12 MPa。

文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412288121

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（责任编辑：xu）

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