浙大AFM報道：輕量化、多功能的流體驅動的人工肌肉

【背景介紹】

人工肌肉是一類材料或器件的總稱，這些材料或器件在受到外部刺激（壓力、光、溫度等）時，可以在一個部件內可逆地收縮、膨脹、彎曲或旋轉。柔性材料的最新進展促進了人工肌肉的發展，從而為各種應用提供了一種合理且安全的技術。然而，每個氣動性人工肌肉通常僅具有單一的形狀變形和功能，并且應當重新設計和制工新的人工肌肉以實現新的期望功能。不僅導致物質冗余，而且還使得人工肌肉難以處理甚至無法應對緊急情況。雖然研究人員通過使用不同的剛性材料、多個獨立的腔體、不同的各向異性結構設計等來探索具有雙重變形或更多的人工肌肉，但是要開發出能夠模仿柔性、可控和多功能人類活動的人工肌肉，仍然存在長期的挑戰。

【成果簡介】

基于此，浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室的鄒俊教授和張超副研究員（共同通訊作者）團隊受到人在接球時手臂肌肉的剛度可變現象和關節的可折疊現象的啟發，聯合報道了一種結合了肌肉可調節的剛度和關節折疊單元，將可控剛度折疊單元（由層狀卡紙和多層柔性砂紙的折疊產生）嵌入到常見的單功能真空動力立方體形（CUBE）人工肌肉中，從而使單功能CUBE人工肌肉能夠實現輕量化和多功能化，以及可控制的力量/運動輸出，而且無需犧牲其體積和形狀。文中展示了手臂的自組裝和協同抓取不同的物體，以及爬行機器人爬上不同的管道，通過裝配多功能CUBE人工肌肉塊，展示了高的操作冗余和力量輸出。可控制剛度的折疊單元提供了一種簡便和低成本的策略，用于制工輕量化和多功能化的人工肌肉，可用于可穿戴輔助設備、微型外科器械和軟機器人等許多潛在的應用中。研究成果以題為“Controllable Sti?ness Origami “Skeletons” for Lightweight and Multifunctional Artifcial Muscles”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。本文的共同第一作者是林楊喬博士、楊賡研究員和博士生梁毓文。

【圖文解讀】

圖一、可控制強度的折疊單元設計用于CUBE人工肌肉
（A）帶有“骨骼”的CUBE人工肌肉的實現，“骨骼”指示嵌入CUBE人工肌肉的砂紙層；

（B）層流干擾機制控制“骨骼”的強度。

（C）折疊機制提高了CUBE人工肌肉的柔性和空間利用效率。

圖二、具有“骨骼”的CUBE人工肌肉的多模變形
（A）多維數據集可以通過四種變形機制在不同狀態之間變形；

（B）四種基本的形狀變形機制。

圖三、具有“骨骼”的CUBE人工肌肉的可控運動和力量
（A）全向機器人沿著不同的方向行走；

（B）機器人的三個步行步態圖；

（C）壓力差與CUBE變形之間的關系；

（D）在不同側室的真空壓力下，內室的真空壓力對CUBE彎曲力的影響；

（E）一種豆腐被夾住而不會被較低的彎曲力破壞（D中的策略1），而另一種被更大的力破壞（D中的策略2）。

圖四、三種連接方法用于多個CUBEs
（A）三個連接方：mortise-tenon連接、磁性連接和粘合連接。

（B）mortise-tenon連接的詳細示意圖；

（C）磁性連接方法的詳細示意圖。

圖五、CUBE人工肌肉具有“骨骼”的多功能性
（A）由CUBE人工肌肉和mortise-tenon連接部件制成的手臂用于捕獲和移動兩個不同高度的T形物體；

（B）使用兩個超冗余臂從一個插座上擰下燈泡，然后將其安裝在另一個插座上；

（C）由三個磁性連接的CUBEs組成的兩個超冗余臂可以通過使用不同的抓握策略來抓取不同的尺寸并稱重物體；

（D-E）由粘膠連接的CUBEs和硅樹脂組成的“caterpillar”機器人能夠爬上不同形狀的管道。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種剛度可控的折疊單元，將柔性和剛性材料之間自由、快速和可逆的切換能力與折紙折疊結構的較高空間利用率和良好的運動導向形狀發展相結合。當“骨骼”嵌入到一個單功能的變形CUBE人工肌肉中，CUBE人工肌肉不僅輕量化、多功能化，而且在不犧牲人工肌肉體積和形狀的情況下，實現了可控制的力/運動輸出。基于多功能CUBE人工肌肉，機械臂和“caterpillar”爬管機器人被重新配置為自組裝或協同抓取不同的對象，并敏捷地爬升不同類型的管道。可控制的剛度折疊單元允許以容易的、快速的和低成本的方式來以可控制的力/運動來制工輕量化和多功能化的基于柔性材料的人工肌肉。具有“骨骼”的人工肌肉在可穿戴輔助設備、微型手術器械、軟機器人等領域具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Controllable Sti?ness Origami “Skeletons” for Lightweight and Multifunctional Artifcial Muscles（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202000349）

本文由CQR編譯。

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