人工肌肉是模仿動物肌肉功能的新型驅動器，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動應變能力。最近的研究表明，當LCE制成纖維時，其較大的比表面積使其能夠實現與天然肌肉類似的超快速驅動。然而，單根纖維無法為實際應用提供足夠的力量，多根纖維合并使用時驅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用的尺寸實現與動物肌肉相當的快速線性驅動。此外大多數基于智能材料(包括LCE)的人工肌肉的環境適應性有限，主要應用場景局限于空氣環境中，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了深海驅動，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. 仿生繩結人工肌肉的設計和制備
 

　　近日，工學院研究員劉珂的課題組在國際頂尖期刊Advanced Materials雜志上發表了題為“Knotted Artificial Muscles for Bio-mimetic Actuation under Deepwater”的研究論文。工學院博士研究生陳雯慧為該論文第一作者，劉珂，中國科學院沈陽自動化所副研究員王聰，北大材料科學與工程學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構的設計原則，利用液晶彈性體(LCE)制造了具有優越驅動性能的仿生繩結人工肌肉(圖1)。
 

　　受生物肌肉的分級結構的啟發，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結構，制備成完整的人工肌肉束，以產生可擴展的驅動力。其中，平結的繩結結構為LCE人工肌肉帶來了額外的結構收縮，使其展現出相比簡單并聯LCE纖維更快、更大的驅動。 這樣的平結人工肌肉還具有強大的環境適應性，不僅能在淺水環境下實現較快的驅動，還能在3000m水深的等效水壓下實現1Hz穩定循環驅動。該研究標志著基于LCE的柔性驅動器首次在如此極端的環境下實現驅動，拓展了LCE人工肌肉的應用環境，為后續研究指引了方向。除此之外，這樣的仿生繩結人工肌肉在LCE纖維被全部破壞后還能實現20%的驅動應變，展現出了優異的損傷耐受性。仿生繩結人工肌肉的這些獨特優勢，尤其是高驅動應變、魯棒性以及深水適應性，為構建輕量、智能、高適應性的水下機器人提供了全新的動力源。
 

圖2. 仿生繩結人工肌肉驅動柔順機構可用于遠程體內手術
 

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

　　這兩項研究得到了“十四五”國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金面上項目，以及北京大學中央高校基本科研業務費的支持。