受人体肌肉启发的单纤维执行器

为了有效地复制人类和动物的动作，机器人应该整合类似肌肉的结构。这些人造肌肉应在所有相关驱动参数(包括能量密度、应变、压力和机械强度)中实现最佳性能。

KAIST和韩国釜山国立大学的研究人员最近开发了一种用于机器人应用的执行器，其灵感来自哺乳动物的骨骼和肌肉结构。这种致动器在NatureNanotechnology上发表的一篇论文中介绍，它基于具有强收缩致动特性的软纤维。

“在与该论文的共同作者之一SukKyunAhn教授的一次学术会议上，我开始了解液晶弹性体(LCE)致动器，”进行该研究的研究人员之一SangOukKim说。Phys.org。“LCE是很有前途的软致动器材料，在致动时具有异常大的可逆尺寸变化(收缩/松弛)，这在其他类型的致动器材料中很少观察到，但对于理想地模拟自然骨骼肌行为非常重要。”

过去开发的许多执行器都是基于LCE材料，这是一类可以响应环境刺激而快速改变形状的聚合物。尽管具有变形优势，但众所周知，LCE聚合物与相对较差的机械性能和较弱的驱动行为有关。

为了克服这一限制，Kim和Ahn教授决定在LCE执行器中加入超强石墨烯填料。除了增强其机械性能外，由于石墨烯的光热转换能力，该团队还希望石墨烯填料能够实现光驱动、快速和远程可控的驱动。

“纯LCE致动器通常需要升温，这通常是一个耗时的过程，没有特定的空间可控性，以触发由液晶排列状态驱动到LCE分子各向同性随机盘绕状态的致动，”Kim解释道。

研究人员开发的致动器以软纤维为基础，包括精细剥离到LCE材料基质中的石墨烯填料。当激光照射在光纤上时，与石墨烯填料相关的光热转换效应会立即提高其周围LCE矩阵的温度。这导致LCE分子从液晶排列状态转变为所谓的各向同性随机卷曲状态，最终导致纤维在宏观尺度上收缩。

“一旦移除激光照明，光纤就会恢复原来的长度，同时LCE矩阵会立即冷却下来，”Kim说。“少量(约0.3wt%)强石墨烯填料的协同掺入增强了致动器材料本身及其致动性能。石墨烯填料实现的快速光热转换还实现了可逆的、快速的高功率致动，这可以是很容易通过外部光操纵进行远程控制。”

Kim和他的同事创造的致动器最有价值的特征之一是其内部石墨烯填充网络的可逆渗透。这个过程允许纤维可逆地收缩和松弛回到原来的尺寸，同时确保在整个驱动周期内的高机械强度。

“纵向纤维致动的大可逆收缩/松弛导致复合致动器体积内石墨烯填料网络的可逆组装和拆卸，”Kim说。

“这种前所未有的行为极大地增强了执行器，特别是在收缩的驱动状态下，并根据驱动状态带来了有趣的电导率调制，这类似于自然肌肉的EMG信号生成。值得注意的是，LCE驱动器固有的机械弱点特别是在致动收缩状态下，一直是LCE致动器实际应用的长期关键挑战。”

研究人员在一系列测试中评估了他们的执行器，发现他们取得了非常有希望的结果。事实上，它们展示了基于LCE材料的致动器的有利形状变形特性，同时还实现了稳健且可逆的致动应变。

“我们的致动器最终实现了具有实际意义的致动性能，在许多方面超过了天然动物肌肉，包括致动应变、压力、能量密度和功率，”Kim说。“以前作品中出现的人造肌肉有时会在其中一个或几个特征上取得优异的表现，但目前还没有关于这种全面优于天然肌肉的表现的报道。”

Kim和他的同事们最终通过在软体机器人上实施执行器并评估它们在一系列任务中的表现，展示了他们的执行器的潜力。他们发现这些机器人能够模仿不同的人类和动物运动，例如举起1公斤重的哑铃、在假手上弯曲单个手指，以及再现尺蠖的运动。

有趣的是，该团队通过让它与活的尺蠖“赛跑”来测试基于他们的执行器的机器人尺蠖。他们的系统赢得了比赛，进一步凸显了他们基于单纤维的致动器在制造超强和高性能机器人、仿生假肢工具甚至可能是可重构智能服装方面的潜力。

“下一个重大挑战将是将我们的人造肌肉与神经活动结合起来，”Kim补充道。“如果单个致动器纤维可以模仿中性控制进行专门控制，那么在与人脑或AI交互时应该可以实现像自然动物这样复杂的运动和运动。目前，大多数致动器都依赖于硬机械系统。我们的复合软致动器将是一个有前途的候选者解决传统机械驱动系统的固有局限性，例如重量大和机械刚性，并获得真正自然的动物般的软体机器人。”