实现可控驱动、变形锁紧、大承载能力、自感知和与人的物理兼容性的集成一直是机器人领域的巨大挑战。一种具有形状可编程性、不需要连续外部能量而具有变形锁定能力和自感知能力的人工肌肉是非常理想的，但在可重构天线、可展开空间结构等方面的应用具有挑战性。

近日，西安交通大学邵金友教授与田洪淼副教授（通讯作者）等人，受哺乳动物的肌肉、骨骼和神经系统耦合行为的启发，提出了一种基于聚多巴胺涂层液晶弹性体(LCE)和低熔点合金(LMPA)的同心管/棒的多功能人工肌肉。其中，外层LCE用于可逆收缩和恢复(即肌肉功能)；在固化状态下采用内部LMPA进行变形锁定，在熔体状态下通过检测电阻变化进行角度变化监测(即骨骼和神经功能)。所提出的人造肌肉具有多种性能，包括可控制的弯曲角度、位置和方向；用于支撑重物的变形锁紧；实时监测角度变化，为软设备的设计提供了一种直观有效的方法。相关工作以“Shape-programmable, deformation-locking, and self-sensing artificial muscle based on liquid crystal elastomer and low–melting point alloy”为题发表在最新一期的《Science Advances》。

图1. 由PDA涂覆管状LCE和LMPA棒组成的多功能人工肌肉。

【制造工艺及工作原理】

多功能人工肌肉与软(LCE)和硬(LMPA)材料耦合的制造过程如图1B所示。肌肉变形过程原理如图1C所示。为了展示变形行为，研究者进行了多功能人工肌肉与纯PDA涂层LCE基管状驱动器的变形对比分析，如图1D所示。该多功能人工肌肉在1.3 W激光照射约6s后产生瞬时弯曲变形。在激光关闭6 s后，弯曲变形(弯曲角约为37°)也立即持续。相比之下，在1.3 W的辐照功率下，基于PDA涂层的LCE管状驱动器在4 s时产生最大的弯曲角度为42°，在4 s激光关闭后，在12 s时恢复到初始直态。因此，LMPA的硬材料通过快速固化使所人工肌肉具有优良的变形锁定性能。

图2. 影响多功能人工肌肉弯曲变形的因素。

【弯曲变形表征】

为了分析光照强度对弯曲角值的影响，研究者利用ABAQUS软件进行了有限元分析。利用二维温度-位移耦合模型[长度(a)为30 mm，直径(b)为2.4 mm]，研究了不同照射功率下多功能人工肌肉的温度和应力分布。由图2A可以看出，数值模拟中对应辐照功率为2.0、1.8、1.6、1.4 W时，弯曲角度分别为49°、44°、39°、35°。较大的辐照功率更有可能在LCE中诱导较大的应力(即较大的致动应力)，在LMPA中诱导较大的压应力区(即较大的熔化区)，进而引发人工肌肉较大的弯曲角。

此外，研究者还系统研究了各种影响因素，包括：（1）LMPA的熔化面积与产生弯曲变形的压缩力之间的数值关系；（2）除LMPA熔化区域的大小外，LCE的促动力；（3）激光功率、光斑面积和照射时间等。

图3. 多功能人造肌肉的弯曲变形。

柔性和可控制的变形，特别是在弯曲角度、方向和位置，可以增加形状可编程和可重构的人造肌肉变形的可能性。从图3A可以看出，在1.4 W的照射功率下，从同一方向对同一弯曲位置照射几次，可以调节弯曲角度。通过调整激光照射方向，也可以改变多功能人工肌肉的弯曲方向，如图3B所示。最后，多功能人工肌肉还具有弯曲位置选择性的特点，如图3C所示。通过选择不同的辐照高度、方向和位置，可以生成更多可重构的形状。例如，将激光应用于人工肌肉的两侧，可以得到一个“W”形状，如图3D所示，这说明了人工肌肉在形状可编程方面的潜力。

图4. 多功能人造肌肉的形状变换和变形锁定。

【快速形状变换和变形锁定的表征】

为了评价人工肌肉的快速形态转换和锁定变形性能，在1.2 W的照射功率下，从上、下两个方向照射多功能人工肌肉进行了试验。人工肌肉在3.5 s时开始产生较大弯曲变形，在3.7 s时保持最大弯曲角38°。经过5.8 s的持续时间后，激光从下方向照射人工肌肉弯曲部分，时间为9.5 s。五周期试验结果如图4B所示，上、下弯曲角度分别约为45°和−35°，说明多功能人工肌肉具有稳定的弯曲变形能力。此外，LMPA的熔融是导致多功能人工肌肉的拉应力从0.008 MPa突然下降到−0.01 MPa的主要原因，LMPA的快速溶解(即变形锁定)可防止多功能人工肌肉的驱动应力恢复为零。

图5. 多功能人工肌肉的传感功能。

图6. 多功能人工肌肉作为可重构天线的应用。

【小结】

受活体动物骨骼、肌肉和神经的耦合行为特征的驱动，形状可编程、变形锁定和自感知人造肌肉使用软材料(即LCE)与高刚度材料(即，LMPA)在同心管/棒的形式，克服了纯软材料的缺点。因此，所提出的多功能人工肌肉同时表现出良好的形状可编程、变形锁定和自感知特性，不仅在低功耗、高承载能力和变形锁定方面优于基于LCE的人工肌肉，而且在响应时间、传感功能、灵活的形状可编程性和可重构性方面也优于基于LMPA的人工肌肉。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5722

来源：高分子科学前沿

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