中国青年学者联手，最新Nature，声控人工肌肉！

肌肉系统作为动物运动的基本组成部分，长期以来激励着技术与医学领域的创新。然而，现有的人工肌肉在动态可编程性、可扩展性与响应性方面仍面临严峻挑战。当前主流的人工肌肉，如基于肌腱或气动的类型，在无线控制、集成与小型化方面存在明显不足。相比之下，声学驱动展现出作为生物相容性替代方案的巨大潜力——它具备材料无关性、无线控制、毫秒级响应、 高空间选择性和深层组织穿透能力，且无需侵入性硬件。

今日，苏黎世联邦理工Daniel Ahmed教授提出了一种基于超声波驱动微气泡阵列的新型人工肌肉设计范式。该人工肌肉集成了超过10,000个具有精准尺寸的微气泡，每个气泡对应特定的共振频率。当受到扫频超声波激励时，微气泡阵列发生选择性振荡，产生分布式点推力，从而使肌肉实现可编程变形。该设计展现出多项卓越特性：高紧凑性（约3,000个气泡/mm²）、轻量化（0.047 mg mm⁻²）、高力强度（约7.6 µN mm⁻²）和快速响应（抓取过程中低于100 ms）。此外，它还具备良好的可扩展性（从微米到厘米尺度）、优异的柔顺性和多自由度操作能力。研究团队通过理论模型支持其方法，并展示了多种应用，包括柔性生物操纵、可贴合机器人皮肤、离体猪器官附着以及仿生黄貂鱼机器人在生物环境中的推进。这类可定制化人工肌肉有望对软机器人、可穿戴技术、触觉反馈和生物医学仪器领域产生深远影响。相关研究成果以题为“Ultrasound-driven programmable artificial muscles”发表在最新一期《nature》上。Zhan Shi, Zhiyuan Zhang为本文一作。

【设计与制造】

在超声波驱动人工肌肉的初步设计中（图1a），研究人员在其底部表面集成了均匀尺寸的微腔。当肌肉浸没于充满水的声学腔室时，表面张力驱使数万个充气微气泡被同时捕获于这些腔体中。为测试驱动性能，肌肉一端被固定，另一端自由，形成悬臂结构。随后，压电换能器被激活产生超声波，入射声波通过液体传播，触发微气泡振荡。由于所有气泡尺寸相同，它们被同步激发，产生集体声流和辐射力，对肌肉底部施加均匀反向力，导致其向上弯曲。通过调节超声激励电压，可控制人工肌肉的变形幅度。

进一步地，团队设计了具有不同气泡尺寸的微气泡阵列人工肌肉（图1b）。由于不同尺寸的微气泡具有不同的共振频率，它们可被独立激活，产生局部反向力和选择性肌肉变形。通过施加覆盖所有气泡自然频率的扫频超声信号，可沿肌肉纵向依次激活不同阵列，从而在多个激励周期内产生复杂的波动运动（图1c）。这种排列与频率选择性激励的结合，实现了多模态变形的精准控制。基于此，研究人员开发了用于抓取活鱼的软抓手（图1d）和模仿黄貂鱼形态的手术软机器人游泳器（图1e）等功能系统。

人工肌肉原型采用高分辨率模具复制法制备。首先，通过软光刻在硅片上图案化微柱阵列作为圆柱形微腔的负模具（图1f）。所有微柱具有相同高度和间距，与目标微气泡尺寸一致。随后，在晶圆上旋涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄层，形成厚度均匀（80 μm至250 μm）的薄膜。固化后，人工肌肉（包括仿生黄貂鱼结构，图1g）被脱模、切割并准备测试。图1h展示了被捕获的微气泡阵列及其在超声激励下产生的向上微射流。

图 1. 超声驱动的微泡阵列人造肌肉

【特性表征与驱动性能以及理论建模】

研究团队系统地表征了微气泡的动力学特性，发现共振频率随气泡直径增大而降低，从95.5 kHz降至8.9 kHz。符合自然频率与气泡直径的反比关系。不同深度的气泡也表现出不同的振荡特性。通过选择性激励不同尺寸的气泡阵列，研究人员实现了对人工肌肉的局部变形精确控制。在扫频超声激励（20-90 kHz）下，肌肉呈现出优美的正弦波状波动变形（图2d），展示了其出色的可编程性能。

为更好地理解软人工肌肉对声波的响应，研究团队开发了理论模型，将整个肌肉划分为对应于图案化微气泡阵列的离散段（图2e）。推导出推力公式： F i =πρωR ci 2 v p ，为设计优化提供了理论指导。该模型适用于均匀与变尺寸气泡阵列。肌肉变形幅度随激励电压平方增加（A∝Vpp2 ），随气泡数量增加而增大，并可通过降低材料杨氏模量或减薄厚度进一步增强。

图 2. 微气泡阵列人造肌肉的驱动和建模

【应用展示】

可编程微气泡阵列人工肌肉为无线驱动提供了激动人心的替代方案，推动了软机器人领域的创新设计。

自适应抓取与机器人皮肤：设计了由6至10条均匀气泡阵列肌肉组成的小型软抓手，每条触手含10,000–20,000个气泡。在超声刺激下（95.5 kHz, 60 V pp ），触手在100 ms内抓取斑马鱼幼体（图3a），停止刺激后幼体可自由游动，且重复驱动未引起明显加热或不良反应。机器人皮肤可贴合任意表面（如杏仁，图3b），甚至使草叶弯曲（图3c），赋予静态物体运动能力。

生物医学应用：将均匀气泡阵列肌肉贴附于离体猪心外膜表面，在96 kHz和60 V pp 下保持功能粘附超过60分钟（图3d）。通过设计圆形气泡阵列并调节激励频率，实现了选择性局部机械力、多模态形状变换与靶向药物递送。局部刺激有望支持未来心脏治疗和临床干预，如抗纤维化药物递送或基因治疗。

无线药物递送与体内部署：将人工肌肉预封装于可生物降解胶囊中，注入离体猪膀胱后，胶囊在3–5分钟内溶解，暴露出的驱动器在超声（96 kHz, 60 V pp ）作用下变形并贴附于膀胱内壁（图3e,f）。

图 3. 基于微泡阵列人造肌肉的自适应夹持器和机器人皮肤

仿生游泳与体内导航：开发了超声波驱动的无线黄貂鱼机器人（Stingraybot），其两侧仿生胸鳍集成变尺寸气泡阵列（直径12 μm、16 μm和66 μm，深度50 μm）。在扫频超声（30–90 kHz, 2 s, 60 V pp ）激励下，胸鳍产生波动运动，模仿真实黄貂鱼推进，初始速度约0.8体长/秒（图4a,b）。预折叠的Stingraybot封装于可食用胶囊中，在离体猪胃内释放后，通过超声导引在 confined 生物医学环境中自主推进（图4c–e）。另一实验中，线性人工肌肉被预折叠为轮状结构，在扫频下沿胃和肠道复杂黏膜表面定向滚动（图4f–i），展示了其在胃肠道内软机器人干预与靶向递送的潜力。

图 4. 离体生物医学环境中的仿生游泳和导航

【总结与展望】

本研究开发的声学人工肌肉成功解决了传统软驱动器在无线控制、可编程性和生物相容性方面的多重挑战。尽管在长时间工作稳定性等方面仍需进一步完善，但这项技术为软体机器人、可穿戴设备和生物医学领域带来了新的突破。未来研究将致力于提升系统性能、拓展应用场景，推动这项创新技术在更多领域实现实际应用。