人工肌肉驱动器研究进展综述

发布时间：2021-03-08 16:08所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次

摘要：人工肌肉通常是指能够在外界物理或化学刺激下发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件，借助人工肌肉驱动可大幅提高机器人的柔顺适应能力和人机力学交互的舒适性。人工肌肉的发展已有超过六十年的历史，其激励方式也包括电、热、

　　摘要：人工肌肉通常是指能够在外界物理或化学刺激下发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件，借助人工肌肉驱动可大幅提高机器人的柔顺适应能力和人机力学交互的舒适性。人工肌肉的发展已有超过六十年的历史，其激励方式也包括电、热、内压等多种形式;尝试从人工肌肉种类、驱动原理、性能指标、应用场合、发展趋势等方面对人工肌肉相关内容予以较全面的综述，以期为机器人或其他领域感兴趣的学者提供参考和对比。

　　关键词：柔性驱动器;人工肌肉;软驱动器;软体机器人

　　0前言

　　哺乳动物、昆虫、鸟类、鱼类等多种生物都是靠生物肌肉系统来驱动身体完成走、跑、跳、爬、飞、游等运动，蒸汽机、内燃机、电动机可看成人造机械系统的“肌肉”。目前，机器人的“肌肉”多为刚性器件，在柔顺性、功率密度、能量利用效率、结构功能一体化等方面与生物肌肉相比还有较大差距[1]，因此众多学者致力于研制出能够媲美生物肌肉性能的人工肌肉[2-5]。

　　人工肌肉[1,6-8]通常是指能够在外界物理或化学刺激下(机械应力、电、磁、热、光、生物电、分解反应等)发生伸缩、膨胀、弯曲、扭转等运动并对外做功的柔性材料或器件[9,10]，比如形状记忆材料、压电材料、电活性聚合物(Electroactivepolymer,EAP)、光致变形材料、气动软体驱动器等。

　　人工肌肉的应力-应变、响应速率、功率密度、能量效率、直驱能力、生命周期等都是大家非常关注的性能指标。应力-应变能力：应力输出能力是在一定的应变下机器人单位截面积能够输出的力，相当于生物肌肉的拉力;而应变能力是人工肌肉在激活变形后尺寸在预期运动方向上相对原始尺寸的比例，比如电致应变等性能。响应速度：指人工肌肉在激励下变形的快慢，通常用人工肌肉连续运动时可实现的动作频率来衡量，以Hz为单位。功率密度：单周期内人工肌肉做功与重量(或体积)的比值，如W/g(W/mm3)。

　　能量效率：一般指人工肌肉输出做功与输入能量的百分比。直驱能力：不同于电动机或内燃机驱动系统的齿轮减速、螺杆传动、液压传动、绳索皮带传动等，生物肌肉一般不经过速度变换来提升驱动力，而是直接驱动骨骼运动;这种直驱能力带来更高的柔顺性和更快的响应能力。人工肌肉通常也具有这种直接驱动能力。生命周期：在失效前人工肌肉的激励-响应循环运动周期数量。

　　此外，人工肌肉的能量密度、工艺复杂性、锁止负载、重复性精度、变刚度能力等也是在具体应用时需要考虑的性能指标[11-12]。面向未来的仿生机器人系统[13-15]，人工肌肉研究具有多学科交叉的特点;得益于材料、化学、生物、机械、电气等各领域学者的共同努力，已研制出多种不同驱动机理的人工肌肉。作者依据驱动机理的不同，将人工肌肉分为流体压力驱动、热致变形驱动、电致变形驱动、可控活体肌肉组织驱动等类型(聚焦于柔软材料)，并对各类人工肌肉的驱动机理、发展历程、优势与局限、适合场景以及研究重难点进行介绍，最后给出人工肌肉的研究展望。

　　1人工肌肉分类

　　1.1流体压力人工肌肉

　　流体压力驱动的人工肌肉主要有气动和液动两种类型，他们都是通过弹性体腔内流体的压力迫使弹性体壁在期望的方向上产生变形[16-18]。例如McKibben气动肌肉[19]是在橡胶等弹性体外部套上一层编织网，限制弹性体的径向膨胀，从而迫使变形向长度方向发展。此类人工肌肉的主要难点在于如何设计结构使变形集中在期望的运动方向上。目前主要通过纤维限制[20]、差异化壁厚设计[21]，折纸结构设计[22-23]等方法来实现。

　　最早的气动人工肌肉可追溯到20世纪60年代美国医生MCKIBBEN设计的McKibben型充气肌肉，该人工肌肉用来驱动假肢;后来又出现了能实现伸缩弯扭的气动网络化结构人工肌肉[24-25];FESTO公司设计的气动连续体机械臂BionicSoftArm[26]是气动肌肉应用的典型代表。近几年在计算机图形学与力学的交叉融合下气动网络结构实现了计算机辅助设计，同时4D打印技术[27]的发展也助力了软体气动人工肌肉的发展。

　　相对其他驱动方式，流体压力驱动的人工肌肉发展较为成熟，在功率密度(高达22kW/kg)[28]、负载能力、柔软性、寿命等方面优势比较明显，但是驱动压力高(高达4MPa)，存在爆炸泄露危险(现已存在多种依靠真空压力来实现收缩运动的气动驱动器，可以减少对密封和正压力的要求;需要提供压力源(如泵、压力罐)等外部装置，使其体积较大;快速响应时不够稳定;迟滞明显[30]。此类人工肌肉比较适合在有压力源、对运动速度要求不高、对其体积限制较小、需要柔顺性高的场合，比如工厂自动化作业中的柔性抓取[31]、柔性外骨骼[33-34]、水下机械臂[35]，柔性手术机械臂[36-37]等[38-42]。

　　1.2热致变形人工肌肉

　　材料在加热到特定温度附近时产生明显的宏观变形，称之为热致变形。其中形状记忆合金(Shapememoryalloy,SMA)或形状记忆聚合物(Shapememorypolymer,SMP)、液晶弹性体(Liquidcrystalelastomer,LCE)、纤维型聚合物等通过热导致分子晶格改变或者大分子链发生变形，产生宏观的形状变化。

　　1.2.1基于相变的热致动材料

　　SMA在热(或磁场)的激励下合金晶格结构发生转换，从而宏观上造成形状改变，它具有很高的能量密度(镍钛合金的能量密度高达50W/g)和负载应力(200MPa)[45]。但SMA是刚性金属部件，而同样基于形状记忆特性工作的SMP则为树脂基软材料。

　　2总结与展望

　　可以看出，各类型人工肌肉都无法达到生物肌肉的综合性能水平。纤维卷绕型人工肌肉，除能量效率外，其余指标均可以达到甚至超过生物肌肉。DEA和HASEL等电致变形驱动在功率密度、能量效率和响应频率上具有优势，但是需要高电压源，电路系统占用空间较大;流体压力驱动虽然展现了良好的功率密度以及应变能力，但需要高压流体源和控制阀等组件，不易实现整体的小型化。体外生物活性组织人工肌肉材料还仅仅处于萌芽阶段，在培养环境、驱动控制方面还有诸多挑战。

　　生物体大都是利用肌纤维收缩实现对外做功，例如骨骼肌，心肌等。其背后的力学机制可能是：细长结构体的抗拉刚度远大于其抗压刚度，当肌纤维产生同样的变形时，收缩形式比膨胀形式产生更大的驱动力，因此生物肌肉在进化过程中选择了收缩形式。上述人工肌肉中，采用收缩形式的负压气动人工肌肉和纤维卷绕人工肌肉较膨胀形式的液体正压驱动和IPMC驱动而言，具有更大的驱动力，也验证了这一观点。在人工肌肉的未来发展中，可对收缩形式的驱动器给予更多关注。

　　从能量转化角度来看，生物肌肉的运动是在生物酶的高效催化条件下发生的快速生化反应，蛋白质等生物大分子自组织形成的有序纳米微结构及机构变形使肌肉具有高的能量密度和能量转换效率。这种生化反应的主要能量来自肌肉组织内的三磷酸腺苷(Adenosinetriphosphate,ATP)分解，其能量密度、能量转换效率、响应速度、自修复、自学习、实时变刚度等性能是现有人工材料望尘莫及的[87]。此外，人工肌肉驱动器的激励源同时也是驱动源，这与生物肌肉也有本质的区别：生物肌肉利用组织液提供能量，利用生物电信号来控制运动，这些组织液也为生物肌肉提供了散热、自修复等能力。

　　人工智能论文范例：人工智能在计算机网络技术中的应用

　　人工材料或能够达到生物肌肉的响应速度、或能够达到生物肌肉的负载能力，但是在整体(包括驱动源)功率密度方面都没有达到生物肌肉的水平。3D打印工艺[88-90]在制备人工肌肉复杂微结构(例如纤维)方面展现了巨大优势。正如影视作品《西部世界》中的场景，3D打印技术对结构功能一体化、综合指标均衡、仿生程度更高的新一代机器人的研发具有划时代的意义。综上分析，研发可媲美生物肌肉性能的智能材料或超材料、研发更先进的人工肌肉制备工艺，仍然是极具挑战的课题，需要材料、化工、机械、生物、电子、控制等多学科的共同努力。

　　参考文献：

　　[1]RICOTTIL，TRIMMERB，FEINBERGAW，etal.Biohybridactuatorsforrobotics：Areviewofdevicesactuatedbylivingcells[J].ScienceRobotics，2017，2(12)：eaaq0495.

　　[2]HUNTERIW，LAFONTAINES.Acomparisonofmusclewithartificialactuators[C]//TechnicalDigestIEEESolid-StateSensorandActuatorWorkshop.IEEE，1992：178-185.

　　作者：邢志广1,2林俊1,2赵建文1,2

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