学术分享丨干货！机器人的人工肌肉

随着学会的队伍不断发展壮大，分支机构的发展愈发完善，丰富多彩的分支活动与学术分享也频频呈现。疫情期间，CAAI认知系统与信息处理专委会积极倡导学会“疫情防控不放松，学习充电不间断”的理念，邀请年轻学者结合本专委会自身领域研究精选相关文献进行研究与再解读，与大家分享《机器人的人工肌肉》。

什么是人工肌肉？人工肌肉被广泛定义在受到外部物理刺激或化学刺激后会改变形状的材料或者装置。与传统的电动机驱动相比，人工肌肉具有许多优点，如无复杂连接装置、高功率重量比和高应力重量比等等。过去十年来，机器人人工肌肉在仿生机器人、机器人假肢和外骨骼、医疗机器人、软机器人的应用中显示出强大的潜力。

近期，《IEEE Transactions on Robotics》刊登了《Robotic Artificial Muscles: Current Progress and Future Perspectives》的文章。文中对仿生机器人中人工肌肉的选择、设计和使用等重要问题进行了研究，并对研究中的挑战和发展前景进行了讨论。文中深入介绍了以下六类机器人人工肌肉:压电致动器、电活性聚合物(EAP)致动器，其中包括介电弹性体致动器(DEAs)和离子聚合物金属复合材料(IPMC)致动器、形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)致动器、软流体致动器、双绞线致动器(TSA)和超螺旋聚合物(SCP)致动器。

一、机器人的人工肌肉类型

1. 压电（Piezoelectric）致动器

压电致动器在电场作用下，可产生厚度方向的拉伸或压缩[1]。在电场作用下，压电致动器表现出相反的压电效应。这种效应在压电材料的微观结构点阵中产生了机械应力，产生的应力可以转化为位移或力的变化[2]。其工作机理可以简单描述为:在无电场作用下，材料的立方单元胞体发生结构和电不对称的变形，产生随机极化。在强电场作用下，立方单元胞体的极化被迫与外加电场一致，这一极化过程导致了材料的整体变形或位移[3]，如图1(a)所示。锆钛酸铅是最常用的压电材料，可以实现不同类型和范围的运动。

压电致动器具有速度快、应力大、能量效率高、定位精度高等优点。带宽通常可以在很宽的范围内调优。对于数百赫兹的循环操作，这可能导致功率密度达到或超过骨骼肌，接近于大型电磁马达。压电致动器可产生高达110 MPa的高应力。单晶压电材料的效率可以达到90%。压电致动器的使用限制是高电压、低鲁棒性、低应变和相对较低的功率密度，其所需的电场通常为1 MV/m。材料厚度约为100微米，所需的工作电压将高达100伏。压电陶瓷材料普遍脆性大，断裂韧性小。压电致动器的位移通常只有0.1%，因此对微应变运动最有用，除非使用各种连锁放大方法。压电致动器峰值功率密度约为0.17 W/g。

图1 机器人人工肌肉在功率密度、带宽、应变、应力、线性和能量效率方面的整体比较。(a)压电致动器具有最高的带宽和效率，但表现出低应变和低功率密度[4]。(b)DEAs高应变，高带宽，高效率，但需要高电压[8]。(c) IPMC执行器工作电压要求低，可以在水环境下工作，但功率密度和应力较低[15]。(d)SMA执行器具有最高的功率密度和应力，但同时具有较高的非线性和较低的效率(低于1.3%)[16]。(e) SMP执行器可以产生非常大的应变，但低带宽，低效率[17]。(f)软流体致动器具有较高的功率密度和良好的带宽，但所需的压缩机或气源降低了有效的功率重量比[19,20]。(g) TSAs具有良好的工作效率，但带宽有限，压缩行程为[21,22]。(h)SCP执行器表现出较大的执行范围和显著的机械功率，但带宽有限，效率为0.71%~1.32%[23,24]。(i)人体骨骼肌

2. 电活性聚合物（EAPs）致动器

EAPs是一种能在电刺激下改变其形状的活性聚合物[7]。最常见的EAPs类型是介电弹性体致动器(DEAs)和离子聚合物金属复合材料(IPMC)致动器，它们具有高应变和高带宽。介电弹性体致动器(DEAs)的工作机理可以用库仑电荷吸引效应来描述。如图2(b)所示，DEA由软弹性聚合物膜组成，在两个表面上都涂有两个柔性电极。当在电极之间施加差压时，产生压缩麦克斯韦应力，使电极彼此靠近，由此产生的薄膜厚度减少导致材料在其他维度上的膨胀。弯曲运动也可以实现[10]，如图2(b)所示。DEAs具有应变大、带宽合理、功率密度高、效率高等优点。已有高达200%的应变。DEAs的功率密度可达0.2 W/g，能源效率可高达80% ~ 90%。其主要缺点是所需电压大，制作电极困难。典型的工作电场约为10~100MV/m，对于普通弹性体，这可能导致电压高达10kV。电极需要与高应变兼容，通常超过10%。

如图2(c)所示，IPMC致动器由夹在两层薄金属之间的薄膜构成[11]。在电场作用下，离子和水分子向阴极一侧移动，导致结构向其中一个电极弯曲变形。导致弯曲的力有两种:流体引起的膨胀力和不平衡的净电荷引起的静电力。多自由度运动可以实现[13]，如图2(c)。IMPC致动器的主要优点是工作电压低(1.5 V)，工作频率高(10 Hz及以上)，应变大(高达40%)，能在水生环境中工作。IMPC致动器的主要缺点是低功率密度(0.02 W/g)和低应力(0.3 MPa)。

图2 机器人人工肌肉的工作机制和可以实现的运动 (a)由于反向压电效应，压电致动器在电场作用下产生运动（上）[5]。弯曲运动可实现（下）[6]。(b)由于库仑电荷吸引效应(上)，DEA在施加差压时减小了电极间的厚度[9]。弯曲运动可实现(下)[10]。(c)IMPC致动器由于流体诱导的膨胀力和静电力(上)，在电场作用下产生弯曲运动[12]。可实现多自由度运动（下）[13]。(d) SMA致动器在相变引起的温度变化下会产生收缩和伸长。弯曲和旋转运动可实现[14,16]。(e)由于形状记忆效应，SMP致动器产生可恢复形变，并产生弯曲、扭转和折叠运动[18]。(f)软流体致动器可以在不同的压力环境下产生线性运动[28]，可以实现弯曲和扭转运动[29,30]。(g) TSA通过将旋转运动转化为线性拉伸力而产生线性运动[31,32]。(h) SCP致动器由加捻聚合物纤维或长丝构成。由于热膨胀特性和几何线圈结构，它们可以产生线性、弯曲和扭转运动[33-35]。

3. 形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）致动器

形状记忆效应是指材料在外界刺激下，可以转变为暂时的形状，然后再恢复其记忆形状的特性。SMA致动器可以进行线性收缩和拉伸。其他类型的运动也可以实现[14,16]，如图2(d)所示。镍钛合金是目前最流行的一种SMA致动器。SMP致动器是一类新兴的活性高分子材料，可以产生较大的可恢复变形。线性嵌段共聚物和聚酯是常用的材料。弯曲和折叠运动[18]，如图2(e)所示。

在外界刺激下，SMA和SMP的晶体结构发生相变，其性质随温度、应力和应变的变化而变化。低温时，晶体结构最初形成于孪晶马氏体相。加载后，马氏体结晶经小弹性区形成;卸载后，SMA保持了变形后的形状。当变形的SMA受热时，开始向奥氏体相变，并伴随着宏观形状的恢复。如果在奥氏体相变过程中施加载荷，将对载荷施加恢复力。当SMA材料被冷却到低温时，它开始向马氏体相变，而卸载时，SMA材料仍保持记忆的形状奥氏体相变结束温度低于室温是一种独特的情况。奥氏体相变结束温度低于室温是一种独特的情况，在这种情况下，SMA可以在没有热激活的情况下恢复记忆形状，这就是所谓的超弹性。

SMA致动器具有高功率密度和高应力。镍钛合金的功率密度可达50W/g，其恢复应力高达200MPa。SMA执行机构的主要限制包括小收缩、低带宽、低效率、显著滞后与蠕变。镍钛合金SMA的最大可恢复应变范围一般可达5%，由于相变(< 3hz)的热性质，大多数SMA致动器工作在低带宽上。这些执行机构通常在温度、应变和张力之间表现出显著的滞后。由于严重的热损失，电力效率通常低于1.3%。SMP是生物可降解的，可产生高可恢复性应变(100~400%)。主要的挑战包括低恢复应力(1~3 MPa)和低速(1秒到几分钟)。恢复应力范围为1~3MPa，恢复响应时间范围为1s 到几分钟。

4. 软流体致动器

软流体致动器有多种，其中以气动致动器最为突出。气动人工肌肉(PAMs)将压缩空气中的能量转化为机械运动。它们可以在不同的压力下沿轴向产生线性运动[25,26]，如图2(f)所示。目前已经开发了不同版本的PAMs，如McKibben致动器、褶皱PAMs (PPAMs)和真空动力PAMs。PAMs的扭转和弯曲能力催生出了完全柔软的夹持器和机器人手臂，它们能够与精巧易碎的目标进行交互。

最常用的PAMs是McKibben致动器，它是通过在编织护套中同轴定位一个橡胶管来构造的。胶管构造了一个密封的气囊，而编织鞘能够保护气囊和转换膨胀气囊完成机械动作。当内胶管膨胀时，护套的编织特性导致致动器的轴向缩短和径向扩展。PPAMs也有类似的工作机制。如图2(f)(顶部)所示，一个不可扩展的折叠内胆代替了弹性密封内胆，它可以在充气时简单地展开，允许有效的径向向球形末端扩展，从而降低最小操作压力。为了消除摩擦的影响，分散的纤维在两端之间并位于褶皱内。膨胀时，由于径向扩张，导致收缩[27]。

PAMs在驱动部位顺应性好，重量轻，功率密度高，接近22W/g。PAMs可能是液压操作的，很少或不需要改变执行机构。水力学可以改善系统带宽使其超过100Hz，并允许在高压环境中使用。商用的McKibben型PAMs能够产生接近6kN的大力，冲程大约为25%，高功率密度接近10W/g。PAMs确实存在一些局限性，尽管致动器可能具有良好的动力重量比，但产生压力所需的压缩机或气源将降低最终机器人的有效动力重量比，并可能限制其在固定平台和某些特定设计上的应用。从流体到机械的能量效率接近30%。由于PAMs的迟滞性和柔度，使得对其进行精确建模和控制变得困难。

5. 双绞线（TSA）执行机构

TSAs通过将电动机的旋转运动转化为线性拉伸力来产生线性运动[31]。如图2(g)所示，TSAs通常由一根绞线、一个电机和一个负载组成[32]。该绞线与作为齿轮的电动机同轴连接。为了使绞线扭曲和收缩，一端必须相对于另一端旋转，另一端必须相对于另一端线性平移。超高分子量聚乙烯(聚乙烯及其衍生物)是最常用的制作材料。

TSAs的优点是平动力高，输入转矩小，机械结构简单，为肌肉状结构。TSAs可以是非常轻的重量和低成本，并具有内在的顺应性。双绞线的效率可达85~90%。考虑到传统直流电机的效率，TSA系统的总效率为72~80%，功率密度为0.5 W/g。然而，TSAs也有几个缺点。由于非线性传动比的存在，控制具有挑战性。TSAs的带宽有限，收缩行程通常为其未扭长度的30%左右。

6. 超螺旋聚合物（SCP）致动器

SCP致动器由缠绕的聚合物纤维或长丝构成，如碳纳米管纱线、尼龙钓鱼线等。如图2(h)所示，它们可以产生明显的直线收缩，其机理解释如下:聚合物纤维由柔性聚合物链组成。在加捻之前，这些聚合物链高度定向于纤维方向。当聚合物纤维或长丝被扭曲时，聚合物链被迫成螺纹状。当卷曲的螺纹被加热时，聚合物链的长度收缩和螺纹的直径膨胀都会导致螺纹松开。解扭产生的扭矩引起收缩，而结构则将收缩放大几个数量级[33-35]。

SCP执行机构具有较大的执行范围和较大的机械功率。使用非缠绕式SCP致动器可以实现21%的拉伸驱动。使用芯棒的扭转SCP致动器可以产生高达49%的应变。最近，一个螺旋SCP致动器演示了惊人的8600%行程。功率密度可达27 W/g。SCP致动器在空气中工作可达0.3 Hz，在加压空气中工作可达1Hz，在氦气中工作可达7.5Hz。单个SCP致动器的最大力约为1N，需要多个致动器才能获得更大的力。SCP致动器表现出摩擦引起的滞后，在线性模型中可能导致高达15%的误差。SCP致动器功率效率为0.71 ~1.32%。

7. 其他

其他类型的人工肌肉，如液压致动器、磁流变致动器、串联弹性致动器(SEAs)和线圈致动器(VCAs)，也被用于机器人应用。这些致动器有许多重要的特性，这些特性是人工肌肉的特征，但在某些方面通常达不到要求。文中未深入讨论。

二 、机器人人工肌肉的应用

1. 压电（Piezoelectric）致动器

压电致动器已广泛应用于机器人中，如机械手、步行机器人、游泳机器人和飞行机器人。如图3(a)所示，一种由压电叠加致动器驱动的三自由度移动机械手[36]。研究者开发了由压电致动器驱动的步行机器人、尺蠖机器人、水上步行机器人、多节段蜈蚣机器人和六足机器人[37,38]，如图3(b)所示。压电致动器已被用来驱动游泳机器人和飞行机器人。采用压电陶瓷致动器，通过移动机器鱼的尾鳍来驱动机器鱼[39]，如图3(c)所示。哈佛大学已经成功地将压电驱动技术应用于飞行机器人RoboBee[6,40]，如图3(d)所示。

图3 压电致动器的机器人应用 (a)三自由度移动机器人 (b) 哈佛大学第二代步行微型六足机器人 (c)仿生鱼机器人原型 (d)哈佛大学RoboBee原型

2. 电活性聚合物（EAPs）致动器

DEA致动器在机器人领域的应用还很有限。首个DEA驱动的自主腿型机器人由SRI International开发[9]，如图4(a)所示。最近，一种DEA驱动的四足爬行机器人被制造出来，它的速度可以超过每秒1个身体长度[41]，如图4(b)所示。以IMPC致动器为驱动机制的机器人种类繁多，如机器鱼和机器车、爬行和行走机器人、机械手和抓手、软式机器人等。IMPC驱动的机器鱼的稳态巡航运动[11]，如图4(c)所示。仿生机器人，如爬行机器人和步行机器人，已经得到了发展。使用2自由度IPMC和2个假腿研制的IPMC驱动的地面步行机器人[42]，如图4(d)所示。

图4 DEA和IPMC致动器的机器人应用。(a) DEAs驱动的自主机器人 (b)基于DEAs的四足爬行软机器人 (c)由IPMC致动器驱动的仿生鱼机器人原型 (d)基于IMPC的陆地步行机器人

3. 形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）致动器

SMA致动器已经应用于多种机器人应用领域，如医疗机器人、自重构机器人、仿生机器人、机械手、机器人外骨骼等。SMA致动器已被应用于医疗设备中，虽然增加设备体积和复杂性，但提高了设备的可操纵性，显示出其在微创手术中的实用性[43-45]，见图5(a)。自重构机器人已经被开发出来，并由可以改变相对位置或方向的SMA致动器驱动。最近的工作主要集中在机器人折叠的发展上[46,47]，如图5(b)所示。由SMA致动器驱动的各种仿生机器人已经被开发出来。如图5(c)所示，Omegabot可以以5mm/s的速度爬行[48]。SMA致动器广泛应用于机器人手、机械手、机器人外骨骼[49]，如图5(d)所示。SMP致动器在机器人领域的应用还很有限。主要应用于生物医学设备和机器人折叠。

图5 SMA和SMP致动器的机器人应用 (a) SMA驱动的神经外科脑出血清除机器人 (b)具有双向致动器的四重折叠机器人，由拮抗的SMA薄片构成(c)二自由度虫状爬行机器人 (d)可穿戴腕部外骨骼原型

4. 软流体致动器

已经有许多机器人应用成功利用软流体致动器，如机械手和抓手，仿生机器人，可穿戴和辅助机器人。目前已经实现了完全柔软的手臂，如触手连续机器人和具有多个不同膨胀节和关节的手臂。为了制作完全柔软的机器人手臂，柔软的末端执行器通常使用弯曲的气网式致动器作为夹持器的手指[50]，如图6(a)所示。

利用气动致动器已经开发出不同的仿生机器人。一些机器人已经被开发出来，并由气网致动器驱动，以模仿一系列海洋生物的游泳动作，比如一个模仿蝠鲼的软机器人。如图6(b)所示，一种跳跃机器人[51]。PAMs也被用于两足机器人的运动中。此外，研究者利用软致动器实现了不受限制的旋转运动，并创造了能进行四足运动的全软机器人[52]，如图6(c)所示。

PAMs已被用于可穿戴机器人。机器人抓取辅助已经通过气动致动器实现。许多McKibben致动器与自定义线束平行安装，以辅助行走[53]，如图6(d)所示。在神经肌肉疾病患者中，PAMs已被用于制作一种脚踝辅助装置来对抗足下垂。PAMs也被用于心脏辅助医疗设备中。

图6 软流体致动器的机器人应用 (a)由弯曲气网式执行机构驱动的机械手 (b) 3d打印、功能分级的软机器人 (c)气动驱动机器人 (d)由McKibben致动器驱动的机器人软系外服，用于行走辅助

5. 双绞线（TSA）执行机构

开发了一种由TSAs驱动的多指机械手[54]，如图7(a)所示。图7(b)展示了一种拟人化手，其中使用了主动双模式扭曲驱动，以权衡TSA的扭矩和速度[55]。TSA的灵活性对于辅助和功率增强设备非常有用。目前提出了一种软性便携式上肢外穿系统，以肩肘辅助居家康复为目标[56]，如图7(c)所示。TSAs可用于制造不同的张拉整体式结构机器人[57]，如图7(d)所示。

图7 TSAs的机器人应用 (a)轻量级机器人手 (b)拟人化机器人手 (c) 软性便携式上肢外穿系统 (d)张拉整体结构机器人

6. 超螺旋聚合物（SCP）致动器

利用SCP致动器的机器人应用正在迅速增加。最受欢迎的应用是机械手指、手和手臂。第一个SCP驱动的机械手和机械臂[58]，如图8(a)所示。由SCP致动器驱动的机器人手指，如图8(b)所示。一个编织的SCP致动器可以为人类手指提供帮助[59]，如图8(c)所示。此外，SCP致动器还应用于软机器人和水下机器人。通过将SCP致动器嵌入到柔软的硅胶皮肤中，制作出可以产生不同波动和弯曲运动的柔软致动器[60,61]，如图8(d)所示。

图8 SCP致动器的机器人应用(a)机械手(b)仿生机械手指 (c)附加在织物手套上作为辅助装置的SCP致动器(d)嵌在软硅树脂中的SCP致动器

三、结论

总而言之，机器人的人工肌肉提供了驱动性能、动力重量比和肌肉形态因素之间的平衡，因此，它们非常适合作为各种机器人应用的仿生致动器。近十年来，机器人人工肌肉的研究和应用有了长足的发展。为了充分发挥潜力，还需要更多基础研究，研究如何制造、建模、控制和设计人工肌肉，以获得类似生物肌肉的特性和实现类似肌肉的行为。

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