浙大AFM报道：轻量化、多功能的流体驱动的人工肌肉

【背景介绍】

人工肌肉是一类材料或器件的总称，这些材料或器件在受到外部刺激（压力、光、温度等）时，可以在一个部件内可逆地收缩、膨胀、弯曲或旋转。柔性材料的最新进展促进了人工肌肉的发展，从而为各种应用提供了一种合理且安全的技术。然而，每个气动性人工肌肉通常仅具有单一的形状变形和功能，并且应当重新设计和制工新的人工肌肉以实现新的期望功能。不仅导致物质冗余，而且还使得人工肌肉难以处理甚至无法应对紧急情况。虽然研究人员通过使用不同的刚性材料、多个独立的腔体、不同的各向异性结构设计等来探索具有双重变形或更多的人工肌肉，但是要开发出能够模仿柔性、可控和多功能人类活动的人工肌肉，仍然存在长期的挑战。

【成果简介】

基于此，浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室的邹俊教授和张超副研究员（共同通讯作者）团队受到人在接球时手臂肌肉的刚度可变现象和关节的可折叠现象的启发，联合报道了一种结合了肌肉可调节的刚度和关节折叠单元，将可控刚度折叠单元（由层状卡纸和多层柔性砂纸的折叠产生）嵌入到常见的单功能真空动力立方体形（CUBE）人工肌肉中，从而使单功能CUBE人工肌肉能够实现轻量化和多功能化，以及可控制的力量/运动输出，而且无需牺牲其体积和形状。文中展示了手臂的自组装和协同抓取不同的物体，以及爬行机器人爬上不同的管道，通过装配多功能CUBE人工肌肉块，展示了高的操作冗余和力量输出。可控制刚度的折叠单元提供了一种简便和低成本的策略，用于制工轻量化和多功能化的人工肌肉，可用于可穿戴辅助设备、微型外科器械和软机器人等许多潜在的应用中。研究成果以题为“Controllable Stiffness Origami “Skeletons” for Lightweight and Multifunctional Artifcial Muscles”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。本文的共同第一作者是林杨乔博士、杨赓研究员和博士生梁毓文。

【图文解读】

图一、可控制强度的折叠单元设计用于CUBE人工肌肉
（A）带有“骨骼”的CUBE人工肌肉的实现，“骨骼”指示嵌入CUBE人工肌肉的砂纸层；

（B）层流干扰机制控制“骨骼”的强度。

（C）折叠机制提高了CUBE人工肌肉的柔性和空间利用效率。

图二、具有“骨骼”的CUBE人工肌肉的多模变形
（A）多维数据集可以通过四种变形机制在不同状态之间变形；

（B）四种基本的形状变形机制。

图三、具有“骨骼”的CUBE人工肌肉的可控运动和力量
（A）全向机器人沿着不同的方向行走；

（B）机器人的三个步行步态图；

（C）压力差与CUBE变形之间的关系；

（D）在不同侧室的真空压力下，内室的真空压力对CUBE弯曲力的影响；

（E）一种豆腐被夹住而不会被较低的弯曲力破坏（D中的策略1），而另一种被更大的力破坏（D中的策略2）。

图四、三种连接方法用于多个CUBEs
（A）三个连接方：mortise-tenon连接、磁性连接和粘合连接。

（B）mortise-tenon连接的详细示意图；

（C）磁性连接方法的详细示意图。

图五、CUBE人工肌肉具有“骨骼”的多功能性
（A）由CUBE人工肌肉和mortise-tenon连接部件制成的手臂用于捕获和移动两个不同高度的T形物体；

（B）使用两个超冗余臂从一个插座上拧下灯泡，然后将其安装在另一个插座上；

（C）由三个磁性连接的CUBEs组成的两个超冗余臂可以通过使用不同的抓握策略来抓取不同的尺寸并称重物体；

（D-E）由粘胶连接的CUBEs和硅树脂组成的“caterpillar”机器人能够爬上不同形状的管道。

【小结】

综上所述，作者提出了一种刚度可控的折叠单元，将柔性和刚性材料之间自由、快速和可逆的切换能力与折纸折叠结构的较高空间利用率和良好的运动导向形状发展相结合。当“骨骼”嵌入到一个单功能的变形CUBE人工肌肉中，CUBE人工肌肉不仅轻量化、多功能化，而且在不牺牲人工肌肉体积和形状的情况下，实现了可控制的力/运动输出。基于多功能CUBE人工肌肉，机械臂和“caterpillar”爬管机器人被重新配置为自组装或协同抓取不同的对象，并敏捷地爬升不同类型的管道。可控制的刚度折叠单元允许以容易的、快速的和低成本的方式来以可控制的力/运动来制工轻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辅助设备、微型手术器械、软机器人等领域具有广阔的应用前景。

文献链接：Controllable Stiffness Origami “Skeletons” for Lightweight and Multifunctional Artifcial Muscles（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202000349）

本文由CQR编译。

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