“我們既能用手指捏起一粒芝麻，也能提起一桶水。無論外力大小如何變化，肌肉都能恢復到原來的長度，為下一個動作做好準備?！敝袊茖W院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）研究員邸江濤說，這就是骨骼肌的彈性驅動特征。
然而，模仿哺乳動物骨骼肌設計的人工肌肉卻并不具備此類彈性驅動機制，一旦用較大力度擠壓拉扯，就像一根生銹的彈簧，出現無法恢復的不可逆形變，極大限制了人工肌肉纖維驅動器的驅動精度、重復性和實用性。
針對這個問題，邸江濤團隊設計了一種聚二甲基硅氧烷（PDMS）包裹的尼龍紗線彈性人工肌肉纖維，其具有和生物肌肉類似的彈性驅動性能，并基于傳統商業化材料開發，為其市場化發展奠定良好基礎。近日，相關研究發表于《物質》。審稿人認為，該研究為對高耐用性和適應性有需求的機器人技術及可穿戴技術的研究應用提供了重要參考。
有彈性的“外衣”
人工肌肉是模仿哺乳動物骨骼肌設計的一種柔性驅動器，具備高輸出應變、高輸出能量、高輸出功率和大負載能力等特點，其體積小巧、運動靈活，在柔性機器人、柔性飛行器、生物醫療等領域有廣闊應用前景。
“人工肌肉纖維目前以碳納米管、尼龍、液晶彈性體、鎳鈦合金絲等材料為主，在變負載驅動過程中存在塑性伸長現象，尤其是在較重負載的狀態?！臂〗瓭嬖V《中國科學報》，在現實工作場景中，人工肌肉內部應力的大小和方向受外部載荷的變化而不斷改變，無法作出精確反應，一旦受力超過承受范圍，就無法像生物肌肉般恢復原狀，嚴重限制了人工肌肉纖維的實際應用。
如何讓人工肌肉纖維也能有彈性驅動特性，成了擺在無數科學家面前的難題。
邸江濤團隊萌生了一個新想法：既然受驅動材料和結構的限制，先前人工肌肉纖維存在塑性伸張現象，那么披上一層有彈性的“外衣”呢？
于是，邸江濤團隊嘗試在普通尼龍紗線表面裹上一層聚二甲基硅氧烷，這是一種常見的有機硅化合物，透明、彈性好，且化學性質穩定。
在連續變負載驅動測試中，他們發現，由運用芯軸纏繞方法制備的聚二甲基硅氧烷包裹的尼龍紗線彈性人工肌肉纖維表現出良好的彈性驅動行為，在外力狀態下可以完全拉直，釋放外力后又會自卷曲，回歸初始的螺旋狀態。在逐步增加相同的負載，再逐步減小相同負載的情況下，其纖維長度和收縮量幾乎不變，和生物肌肉一樣具有出色的彈性和恢復能力。
一次意外發現
這類新型彈性驅動的人工肌肉纖維的誕生，始于一次意外發現。
“我們原本想進一步提升感知-驅動一體化人工肌肉纖維的驅動性能，卻在實驗中意外發現，這種彈性驅動的人工肌肉纖維具有類生物肌肉的彈性驅動行為。”論文第一作者、在蘇州納米所從事博士后研究的董立忠告訴記者，“我們覺得這種具有彈性驅動行為的人工肌肉纖維可以在機器人領域做一些工作，于是開始在飛行器舵機上進行嘗試?！?/span>
邸江濤介紹，原本是想根據飛行控制系統的要求，利用人工肌肉纖維的伸縮調整飛行器舵面的位置，以實現飛行器轉向。但常規人工肌肉纖維在變負載過程中會發生塑性伸長，影響彈性性能，無法長時間保持穩定，基于其制備的拮抗結構舵機可控性較差。
“我們想起了此前實驗中的‘意外’，彈性驅動行為的人工肌肉纖維正好可以解決這一難題。”團隊決定在飛行器上試一試。
不過，新的難題又擺在他們面前。要讓這類具有彈性驅動的人工肌肉纖維結構更加穩定，必須要經過200℃高溫退火的考驗。然而，長時間加熱該材料會破壞其表面靜電紡絲納米纖維結構，影響感知功能。
怎樣讓彈性驅動的人工肌肉纖維“不怕火煉”？團隊嘗試了各種方法，但都以失敗告終。
他們決定換個思路，先對人工肌肉纖維進行高溫退火，在外力作用下將其拉直定型，再在表面進行靜電紡絲，相當于在其外層均勻地“織”上一層納米纖維。之后，釋放外力，彈性驅動人工肌肉纖維就會恢復原本的螺旋狀態，且其表面靜電紡絲納米纖維結構也完好無損。
“這為螺旋纖維的表面功能優化設計提供了一種通用策略。”邸江濤告訴記者，人工肌肉纖維在大于50%收縮量的條件下實現了感知功能集成。
從應用需求角度出發
“彈性驅動人工肌肉纖維基于傳統商業化材料開發，具有良好的市場化前景?！臂〗瓭榻B。
基于彈性驅動人工肌肉纖維，團隊不僅開發了人工肌肉纖維拮抗驅動舵機，還開發了一種可自主調節壓力的智能壓力帶，具備主動節律性加壓和實時壓力監測功能，主動施加的最大壓力可以達到3牛，短時間工作溫度接近38℃，持續工作溫度低于人體低溫燙傷42℃的極限值。
“大規模商業化應用對人工肌肉纖維連續制備設備的開發提出了更高要求?！臂〗瓭硎荆S著人形機器人的快速發展，這類人工肌肉纖維有望在人形機器人、手術機器人、可穿戴輔助醫療等領域率先實現落地應用，“目前我們團隊也正在和相關企業一起合作，推動這類人工肌肉纖維的批量化制備和推廣應用”。
此外，在走向大規模商業化應用過程中，還需要建立完備的驅動數據庫，系統記錄彈性驅動的人工肌肉纖維在不同條件下的性能表現，為不同應用場景提供精確的控制參數，提升實際操作的精準度。
在邸江濤眼中，當前技術還存在諸多不足，“電熱驅動的人工肌肉纖維存在熱效應，導致在某些使用場景中出現熱損傷”。他介紹稱，電熱驅動的人工肌肉纖維在工作時，由于材料的散熱速度較慢，響應速度相應降低，這也限制了人工肌肉纖維在部分高頻環境中的應用。
“結構與功能相適配是普遍規律?！臂〗瓭嬖V記者，從應用需求角度出發，開發適配性良好的人工肌肉纖維驅動器技術，已成團隊下一步研究的重點。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102281
文章來源：中國科學報