僅2毫米粗細(xì)，卻能舉起自身200倍的重量！

功率密度堪比骨骼肌肉，響應(yīng)速度快至0.3秒，且無需外部儲(chǔ)液罐，實(shí)現(xiàn)了電氣驅(qū)動(dòng)、無繩化且靜音運(yùn)行。

更厲害的是，它還能像紗線一樣，直接被織成“動(dòng)力布料”，給機(jī)器人穿上一身“肌肉外衣”。

來自美國麻省理工學(xué)院和意大利巴里理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最新開發(fā)出一種電液纖維肌肉（Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs），首次實(shí)現(xiàn)了與哺乳動(dòng)物骨骼肌相當(dāng)?shù)墓β拭芏取＿@項(xiàng)研究發(fā)表在最新一期的國際頂級(jí)期刊《Science Robotics》上。

01.

電液纖維肌肉：軟體機(jī)器人的新突破

機(jī)器人要像人類一樣靈活自如，關(guān)鍵之一在于驅(qū)動(dòng)器——就像肌肉之于人體。

然而，傳統(tǒng)的伺服電機(jī)雖然功率密度高、效率可靠，但相對(duì)笨重的外形嚴(yán)重限制了它在軟體機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。要將運(yùn)動(dòng)傳遞到旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以外的任何部位，還需要額外的滑輪和肌腱等組件。

相比之下，生物肌肉纖維可以模塊化地組織成各種結(jié)構(gòu)，通過增加每束纖維的數(shù)量能夠?qū)崿F(xiàn)輕松調(diào)節(jié)力量大小。這種天然的優(yōu)勢讓研究人員一直在尋找能夠媲美生物肌肉的人工替代品。

來自美國麻省理工學(xué)院和意大利巴里理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)最新開發(fā)的電液纖維肌肉（Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs），給出了一份突破性的答案。

這種人工肌肉直徑僅1-2毫米，收縮應(yīng)變可達(dá)20%，響應(yīng)時(shí)間不到0.3秒。更重要的是，它們平均功率密度達(dá)到50W/kg，與人體骨骼肌相當(dāng)。整個(gè)系統(tǒng)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，無需外部液體儲(chǔ)存器，可以直接由電能驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)靜音運(yùn)行。

研究團(tuán)隊(duì)通過三個(gè)不同的機(jī)器人演示展現(xiàn)了這種肌肉的多功能性：一個(gè)能在0.3秒內(nèi)發(fā)射物體的快速杠桿臂；一個(gè)能舉起4公斤重物（相當(dāng)于自重200倍）的肌肉束；以及一個(gè)能讓機(jī)械臂彎曲40度、柔順到可以與人握手的編織肌肉。

02.

偏壓是關(guān)鍵：讓閉環(huán)系統(tǒng)高效運(yùn)行

電液纖維肌肉的核心創(chuàng)新在于將電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）纖維泵與薄型McKibben驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，形成一個(gè)閉合的流體回路。

McKibben驅(qū)動(dòng)器是一種經(jīng)典的流體驅(qū)動(dòng)器，由內(nèi)部彈性管和外部編織層組成。當(dāng)內(nèi)部加壓時(shí)，編織層引導(dǎo)變形使驅(qū)動(dòng)器軸向收縮。而EHD纖維泵則是一種毫米級(jí)的軟管，內(nèi)嵌螺旋電極，能夠在沒有移動(dòng)部件的情況下靜默產(chǎn)生壓力和流量。

傳統(tǒng)上，McKibben驅(qū)動(dòng)器需要外部泵和閥門，這嚴(yán)重限制了它們在便攜式應(yīng)用中的使用。研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵突破是采用拮抗配置——兩個(gè)McKibben驅(qū)動(dòng)器連接在纖維泵的兩端，當(dāng)一個(gè)收縮時(shí)，另一個(gè)延伸并充當(dāng)儲(chǔ)液器。

但要讓這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，偏壓（bias pressure）的設(shè)置至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中預(yù)充一定量的介電液體，使其保持75 kPa的偏壓時(shí)，性能達(dá)到最優(yōu)。

這個(gè)偏壓帶來了三重好處：

首先，它防止了空化現(xiàn)象。當(dāng)泵入口處的壓力降到液體蒸汽壓以下時(shí)，會(huì)觸發(fā)電擊穿，導(dǎo)致系統(tǒng)失效。適當(dāng)?shù)钠珘捍_保入口處的絕對(duì)壓力始終高于蒸汽壓，從而允許施加更高的電壓。實(shí)驗(yàn)顯示，有偏壓時(shí)系統(tǒng)能承受的電場強(qiáng)度是無偏壓時(shí)的200%。

第二，偏壓優(yōu)化了泵-驅(qū)動(dòng)器的匹配。McKibben驅(qū)動(dòng)器具有非線性的壓力-行程響應(yīng)曲線，偏壓使得泵產(chǎn)生的壓力作用在曲線的陡峭區(qū)域，從而在相同壓力下獲得更大的收縮行程。在5N負(fù)載下，75 kPa偏壓使收縮應(yīng)變從不到2%提升到超過6%，增加了三倍。

第三，偏壓使肌肉具有背驅(qū)動(dòng)性（back-stretchability），這對(duì)于人機(jī)交互至關(guān)重要。當(dāng)機(jī)器人手臂處于握手位置時(shí)，人類可以自然地?fù)u動(dòng)它，因?yàn)閮蓧K肌肉都能輕松變形。

03.

模塊化設(shè)計(jì)：從快速投射到柔順握手

電液纖維肌肉最大的優(yōu)勢在于其高度模塊化的特性。通過簡單地調(diào)整纖維泵和McKibben驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量及其排列方式，就能為不同的機(jī)器人任務(wù)定制性能。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)物理模型來指導(dǎo)設(shè)計(jì)。模型顯示，串聯(lián)的泵數(shù)量決定最大壓力，而并聯(lián)的泵數(shù)量決定最大流量。對(duì)于給定的驅(qū)動(dòng)器，響應(yīng)時(shí)間與并聯(lián)泵數(shù)成反比，與驅(qū)動(dòng)器的尺寸和數(shù)量成正比。

基于這個(gè)原理，團(tuán)隊(duì)展示了三種不同的配置：

快速杠桿臂采用四個(gè)并聯(lián)的纖維泵驅(qū)動(dòng)一對(duì)McKibben驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了180毫米/秒的收縮速度。這個(gè)系統(tǒng)能在0.13秒內(nèi)完全收縮，快到可以將乒乓球彈射到24厘米高。高速攝像機(jī)記錄顯示，從電壓施加到物體離開發(fā)射臺(tái)，整個(gè)過程不到0.3秒。

力量型肌肉束將8個(gè)McKibben驅(qū)動(dòng)器捆綁成圓形幾何結(jié)構(gòu)，由兩對(duì)串并聯(lián)的纖維泵驅(qū)動(dòng)。這個(gè)重22克的裝置能夠舉起4.25公斤的重物（加上250克預(yù)載），實(shí)現(xiàn)30毫米的收縮行程（11%應(yīng)變）。長期循環(huán)測試顯示，在0.5 Hz頻率下進(jìn)行1000次循環(huán)后性能保持穩(wěn)定。

編織肌肉展示了纖維形態(tài)的獨(dú)特優(yōu)勢。10個(gè)并聯(lián)的McKibben驅(qū)動(dòng)器作為經(jīng)線，兩個(gè)并聯(lián)的纖維泵作為緯線交織在一起，形成40厘米長、6厘米寬的柔性肌肉片。將其作為二頭肌-三頭肌對(duì)安裝在機(jī)械臂上，不僅能讓手臂彎曲42度，還保持足夠的柔順性完成人機(jī)握手。

研究還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器與泵的比例，可以在力量和速度之間權(quán)衡。將二頭肌中的McKibben驅(qū)動(dòng)器數(shù)量從10個(gè)減少到2個(gè)，響應(yīng)時(shí)間縮短了42%，而彎曲角度幾乎沒有變化。

這種電液纖維肌肉代表了軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重要進(jìn)展。它們不僅在功率密度上媲美生物肌肉，更重要的是提供了突破性的模塊化和可重構(gòu)性。纖維形態(tài)使得這些肌肉可以像紡織品一樣編織、捆綁或排列，為未來的可穿戴機(jī)器人、靈巧操作手和仿生系統(tǒng)開辟了新的可能。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438