人工肌肉是模仿動(dòng)物肌肉功能的新型驅(qū)動(dòng)器，多用于軟體/柔性機(jī)器人，對未來更具人機(jī)親和力的仿生機(jī)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(dòng)應(yīng)變能力。最近的研究表明，當(dāng)LCE制成纖維時(shí)，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(dòng)。然而，單根纖維無法為實(shí)際應(yīng)用提供足夠的力量，多根纖維合并使用時(shí)驅(qū)動(dòng)速度會因?yàn)楸缺砻娣e的減小而降低。因此，人工肌肉目前還未能以實(shí)際應(yīng)用的尺寸實(shí)現(xiàn)與動(dòng)物肌肉相當(dāng)?shù)目焖倬€性驅(qū)動(dòng)。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(dòng)物的肌肉一樣支持軟體機(jī)器人的水下運(yùn)動(dòng)。即便已有基于介電彈性體的人工肌肉實(shí)現(xiàn)了深海驅(qū)動(dòng)，但其線性變形有限，并且受到破壞時(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)原則，利用液晶彈性體(LCE)制造了具有優(yōu)越驅(qū)動(dòng)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(kuò)展的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。 這樣的平結(jié)人工肌肉還具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，不僅能在淺水環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較快的驅(qū)動(dòng)，還能在3000m水深的等效水壓下實(shí)現(xiàn)1Hz穩(wěn)定循環(huán)驅(qū)動(dòng)。該研究標(biāo)志著基于LCE的柔性驅(qū)動(dòng)器首次在如此極端的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)20%的驅(qū)動(dòng)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(dú)特優(yōu)勢，尤其是高驅(qū)動(dòng)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(jī)器人提供了全新的動(dòng)力源。
 

圖2. 仿生繩結(jié)人工肌肉驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)可用于遠(yuǎn)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(dòng)的，所以也可用于遠(yuǎn)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(dòng)的柔順機(jī)構(gòu)，可用于遠(yuǎn)程操作體內(nèi)手術(shù)。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的柔順機(jī)構(gòu)被含有多根LCE纖維的繩結(jié)人工肌肉驅(qū)動(dòng)時(shí)，能轉(zhuǎn)化出不同方向的位移/力，在模擬環(huán)境中實(shí)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(jī)構(gòu)作為全柔性機(jī)構(gòu)不會傷害生物內(nèi)部器官，十分安全，展現(xiàn)出了在遠(yuǎn)程體內(nèi)手術(shù)中的強(qiáng)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(xiàng)研究得到了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，以及北京大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的支持。