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江蘇大學胡興好等 PNAS：快速、變剛度誘導的編織卷繞型人工肌肉

2024-11-10 來源：高分子科技

近年來，開發同時具備響應速度快、絕對輸出功大的纖維人工肌肉對其在柔性可穿戴外骨骼等領域中的應用具有重要意義。加捻卷繞型人工肌肉具有媲美自然肌肉的性能而被廣泛研究。然而由于加捻纖維的捻度從表面到其中心逐漸遞減，處于中心部分的纖維對人工肌肉驅動性能的貢獻甚微，這意味著在纖維中心的輸入能量沒有得到有效利用。有研究通過鞘-芯結構、中空結構來解決響應速度和能量效率問題。然而，這種中空結構需要較厚的壁厚來避免扭轉引起的管塌陷，這增加了肌肉重量，減少了輸出功。

為解決上述科學問題，近日，江蘇大學胡興好副教授等提出編織包覆中空管構筑編織卷繞型人工肌肉的新方法，并提出了變剛度的驅動理論。具體原理為：在氣壓作用下，中空管帶動編織管直徑膨脹，肌肉剛度隨之增加，進而導致肌肉在拉伸負載下收縮，在壓縮負載下伸長。該肌肉可在低氣壓下實現快速、大沖程和高頻驅動。此外，由于其低成本、高性能和易于制造，編織卷繞型人工肌肉（BCM）滿足了當前機器人驅動應用的需求。最后，團隊設計了三種機器人，包括爬行機器人、行走機器人和攀爬機器人，展示了其在智能機器人中的應用。爬行機器人可以達到22.5 cm/s (2.25個身體長度/秒)的速度；行走機器人可以達到12.5 cm/s的速度直線行走，也可以在14秒內以0.1cm^-1的曲率轉動方向，同時保持1.1 cm/s的最大速度。

該研究成果以“Fast, variable stiffness-induced braided coiled artificial muscles”為題發表在國際知名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上。

該論文署名江蘇大學機械工程學院為第一單位,胡興好副教授為第一作者，碩士生王翔宇和碩士生王健為共同第一作者，通訊作者為胡興好副教授、程廣貴教授、丁建寧教授和德克薩斯大學達拉斯分校雷伊·鮑曼院士。該項工作得到國家自然科學基金、中國博士后基金、中國科協青年人才托舉工程和江蘇省優秀青年基金等項目的資助。

圖1.編織卷繞型人工肌肉的制作與結構。（a）制造BCM的示意圖。（b）掃描電鏡圖像顯示中空管的橫截面，其內壁表面涂有炭黑以提供導電性。（c-e）SEM電鏡圖像顯示了不同放大倍數下的中空管內壁，表明炭黑均勻地涂覆在中空管內壁上。

圖2. 編織卷繞型人工肌肉的驅動性能測試。（a）在不同負載下，BCM收縮率與氣壓之間的關系。虛線表示該BCM的相鄰線圈接觸。（b）在不同彈簧指數下，BCM的收縮率與負載之間的關系。本實驗使用的空氣壓力為0.14 MPa，最大收縮率為70%。（c）不同彈簧指數BCM工作能力與負載之間的關系。（d）在不同負荷下的BCM收縮率與頻率之間的關系。施加的空氣壓力為0.12 MPa。（e）在155 g負載下BCM的收縮功率密度和收縮效率與頻率之間的關系。（f）在施加0.1 MPa氣壓、125 g負載下以5Hz氣動驅動時BCM的驅動周期。其中插入圖提供了五個的驅動周期。

圖3. 編織卷繞型人工肌肉的無泵驅動性能。（a）液氣相變引起的體積膨脹示意圖。（b）當施加0.008 Hz，10.5 V方波電壓時，在50 g負載下，BCM中空管的體積變化與肌肉表面溫度的變化之間的關系。（c）當0.008 Hz， 10.5 V電壓作用于BCM導電內表面時，BCM收縮率與時間之間的關系。（d）在0%預應變時，BCM的產生的力和相應肌肉表面溫度與時間之間的關系。

圖4.編織卷繞型人工肌肉的驅動機制。受力F時BCM受力分析示意圖。符號為：施加的拉力（F）、F對編織管截面產生的扭矩（M）、負載狀態下單個編織纖維所受的剪切力（F_i）、人工肌肉半徑（R）、編織角（α）和編織纖維線半徑（r_b）。

圖5. 編織卷繞型人工肌肉在機器人上的應用。（a）（上）使用三個BCM的攀爬機器人示意圖。（下）實時圖片顯示機器人能夠沿著一根電線爬。（b）（上）由兩個BCM組成的攀爬機器人示意圖。（下）機器人以22.5cm s^?¹的速度在地上行走的光學圖像。（c）（上）由8個BCM組成的雙足機器人示意圖。（下）雙足機器人以12.5cm s^?¹的速度在地上行走的光學圖像。（d）一個由BCM驅動的機械臂（C = 2.3），能夠舉起各種重量物品。葡萄、玩具車和小雞玩具的重量分別是46 g、50 g和32 g。施加的氣壓為0.12 MPa。

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412288121

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（責任編輯：xu）

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