一款又软又轻、还不用外接设备的人工肌肉来了！直径仅 2mm 的纤维组成的新型人工肌肉竟能举起 200 倍自重的物体，更重要的是，它在功率密度上实现了接近生物肌肉的水平。
近期，麻省理工学院与意大利巴里理工大学联合团队在Science Robotics发表了一项关于电流体纤维人工肌肉（EFM，Electrofluidic fiber muscles）的研究。
研究人员在一根仅2mm 粗的密封液体软管中装上微型电流体动力学（EHD）泵，通电后能够像生物肌肉那样收缩发力。
然后，神奇的现象发生了：这束纤维可举起 4kg 的物体，功率密度达50 瓦每千克，收缩应变达 20%，不仅能在 0.3 秒内把一个小球弹射出去，同时还能与人类柔软地握手。
这项研究的关键突破在于，解决了机器人领域重要挑战：将泵塞进纤维内部做成闭环，驱动器不仅兼具静音、强劲、对人体友好，还彻底甩掉了过去限制软体机器人量产的外部液压设备，有望应用于可穿戴辅助设备、柔性外骨骼、人机协作机器人和软体机器人等场景。
长期以来，传统的机器人驱动系统难以集成到机器人和假肢等领域。核心原因之一是，其往往需要电机、外部泵或其他笨重且体积庞大的支撑硬件。工程师们一直在寻找相关解决方案，希望开发出具有独特优势的仿生材料，例如能够与生物肌肉力量相当、快速响应、具有可扩展性和强控制力等。
这项研究给出了一套不同于传统驱动的解决方案：直接将泵集成到纤维内部。EFM 在多个方面接近于真实肌肉，并具有足够的柔韧性，能够更好地与人体连接且可静音运行。更重要的是，这些纤维可以组合成不同的形状，来适配特定的任务。
这套新系统的核心在于融合了两种已有技术：一种是流体驱动——薄型 McKibben 执行器，另一种则是基于 EHD 的微型固态泵，可在密封的流体腔室内产生压力，无需移动部件或外部流体供应。
尽管技术路线看起来简单，但要将这两个具有不同的动力学特性的技术相结合，在操作层面仍存在不小的挑战。研究人员发现，如果不解决这个问题，电压在达到约 4 千伏条件时泵容易崩溃。
于是，他们提出了一个巧妙的方案：在封闭系统中特意注入过量的液体，并提前为整个系统施加约 75 千帕的偏置压力。
这样做的目的在于，让两根对抗肌同时处于微绷紧状态，不仅可防止因入口处压力过低引起的气泡，还能将耐受电压从 4 千伏提升到超过 8 千伏。从实现效果来看，在同样负载 2 牛顿力的条件下，施加过偏置压力的人工肌肉收缩幅度实现了从 2% 至 14% 的显著提升。
该系统的另一创新之处在于模块化设计。电驱动和液压可以像搭建乐高积木一样进行自由组装，使系统在设计与控制上更加灵活。例如，可通过并联多个泵让液体流量变大的方式，来实现速度的提升。
（来源：麻省理工学院）
研究团队通过并联 4 个泵驱动一对肌肉，实现了每秒 180mm 的收缩速度，并且完成一次动作仅需 0.13 秒，这样的性能支持在 0.3 秒内通过杠杆臂将乒乓球弹射至 24 厘米高度。
再比如，可通过并联多根肌肉纤维的方式，来获取更大的力气。在研究中，研究人员将 8 根 EFM 绑在一起，每侧的两个泵通过并联工作的方式提升流量，两侧的肌肉束则串联形成闭环回路。结果显示，总重量仅 22 克的一束人工肌肉，提起了 4kg 重的物品，行程为 30mm，并在 1,000 次循环测试中仍保持性能稳定。
此外，研究团队还展示了将 EFM 应用在可穿戴设备的可能性。研究人员将这些纤维织成一块 40cm 长、6cm 宽的“肌肉织物”，作为机械臂的肱二头肌和肱三头肌。
由于其高柔软的特性能够实现折叠扭曲，机械臂在 EFM 的驱动下实现了 40 多度弯曲。有趣的是，当人类与其握手时，它可以顺从地被推开，而这种反向可驱动性正是传统电机难以实现的。
尽管 EFM 表现出相关性能的优势，但也需要同时看到的是，它还不是一个完美的解决方案。例如，它的能量转化效率并不高，仍需要高压驱动才能工作，这对于日常的电源管理方面还有进一步完善的空间。
此外，这项研究中用到的氢氟醚液体是一种特殊的氟化液，存在供应限制和在一定的环境影响。因此，研究人员也在探索用非氟化的液体实现类似效果的可能性。
当下，大多数机器人仍然以电动伺服电机为主，而电机本身存在局限性，尤其在人形机器人领域，其圆柱形的形态只能安装在关节处，这会导致的后果是，要想获得更大的力气，电机重量也需要随之增加，因此整个机器人的质量集中在某几个关键点。相比之下，纤维状的人工肌肉能够更紧密地封装在机器人或外骨骼内部，并分布在整个结构中。
这项工作的意义不仅仅是突破某几个性能指标，例如提起物品的重量、柔韧性和速度方面的提升。更重要的是，它为机器人执行器提供了一条不同于伺服电机的新路径。这种纤维形态的人工肌肉，能够像真正的肌肉那样分布在机器人全身，即便其中几根遇到问题也可能不影响整体工作。摆脱刚性躯壳的起点，或许就藏在那根 2mm 粗的软管中。
参考资料：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438
https://www.media.mit.edu/articles/a-new-type-of-electrically-driven-artificial-muscle-fiber/
运营/排版：何晨龙
热门跟贴