网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

华南理工“大节距”人造肌肉登权威期刊,软体机器人驱动迎来巨变

0
分享至

一根纤维,收缩95.1%,拉伸560%,功率密度高达猎豹肌肉的35倍——软体机器人的仿生肌肉迎来了前所未有的性能突破。

软体机器人的发展,长期受困于一个核心矛盾:为了动作灵活、形变大,驱动结构必须足够软;但要想负载有力、稳定可靠,结构又得足够刚。

近年来兴起的扭转螺旋聚合物人造肌肉,因其大应变、低滞后和低驱动电压等特性被视为理想解决方案之一。然而,传统TCP肌肉往往缺少初始节距,启动前必须先施加一个拉伸预载来分开相邻的螺旋。

这个预载如同一道枷锁,不仅限制了运动范围和可编程性,还可能在软体系统中引入非预期的初始变形,成为实际应用中的绊脚石。

▍灵感迸发,从“热处理”中发现新大陆

华南理工大学周奕彤课题组(课题组网站:http://www.zhouyitonglab.com/index.html)一直致力于攻克这一难题。就在不久前,他们刚刚发表研究,通过模仿染色体多级螺旋折叠结构,在单根纤维内实现了可编程的大变形与高负载。

如今,该团队再次取得突破,从制造工艺本身找到了更简洁、更普适的答案。

近日,他们在《Bioinspiration & Biomimetics》 上发表最新研究成果,提出了一种名为“自诱导大螺旋节距(SLiP)”的人工肌肉制造方法。

这项技术的核心洞察极具颠覆性:此前被广泛视为驱动机制的热致解捻,在制造阶段竟能反向利用,成为形成稳定大节距的关键。

研究团队发现,在高温长时间的退火过程中,聚合物分子链的运动性增强,纤维内部积累的应力得以充分释放。这一过程有效抑制了纤维从芯轴上取下后过度解捻的趋势,从而“锁定”了高捻度,并自发形成了大而稳定的初始螺旋节距。

这种方法的精妙之处在于其极简主义:无需在纤维中复合其他功能材料,无需定制带沟槽的模具,也无需繁琐的多步退火循环。

仅需通过调节退火温度与时间这两个参数,就能在单步热处理中,直接制备出具有可控大节距的SLiP肌肉。

▍性能怪兽:95.1%收缩与560%拉伸的极限数据

那么,如此简洁方法制造出的人造肌肉,性能究竟如何?实验数据给出了令人震撼的答案。

在负载条件下,同手性SLiP肌肉的最大收缩应变达到了惊人的95.1%。

这意味着一条1厘米长的肌肉,可以收缩到仅剩不到0.5厘米。即便在无负载的自由状态下,其收缩率也高达86.6%,充分证明了其无需预载即可实现大变形的核心优势。

更引人注目的是其异手性配置的表现。当纤维的螺旋方向经过特定设计,SLiP肌肉在受热时不再收缩,而是产生巨大的拉伸变形:热驱动下最高达560%,在直接集成供电的电热驱动模式下,仍能实现511%的有效伸长行程。

这为需要模拟生物肌肉拉伸或推进行程的机器人应用,开辟了全新路径。

力量与速度同样出色。SLiP肌肉的最大比功率达到了3.5 kW/kg。这是个什么概念?它远超人类骨骼肌,更是达到了猎豹肌肉的35倍,甚至超过了早期喷气式发动机的功率密度。

在动态测试中,SLiP肌肉在极短的50毫秒电脉冲刺激下,仍能产生显著的快速收缩,展现出优异的响应能力。

▍稳定可靠:5000次循环,性能波动低于1%

对于驱动器而言,性能的巅峰数值固然耀眼,但长期工作的稳定性和可靠性才是走向实用的基石。SLiP肌肉在这方面同样交出了满意的答卷。

研究团队对SLiP肌肉进行了严苛的5000次加热-冷却循环测试。结果显示,在整个测试过程中,肌肉的收缩行程波动始终低于1%,且未观察到任何螺旋塌陷或节距畸变的现象。

这种卓越的稳定性,根源恰恰在于其制造工艺。

高温长时间的退火过程,深度释放了纤维内部的残余应力,使得螺旋几何结构在面对反复的热-机械载荷时,能够保持高度稳定。实验中观察到的微小行程漂移,属于聚合物材料固有的、可逆的粘弹性松弛行为,而非结构性损伤。

这意味着SLiP肌肉不仅“力大无穷”,更是一位能持久作战的可靠伙伴。

▍实战演示:从仿生手臂到软体抓手

为了验证SLiP肌肉在真实机器人场景中的能力,研究团队开发了多个软体与仿生机器人原型。

他们首先打造了一个仿生机器人手臂。在前臂远端悬挂10克负载的情况下,驱动SLiP肌肉,手臂关节实现了72.5°的流畅旋转,精准复现了人体手臂的弯曲动作。

灵感来源于尺蠖的软体爬行机器人,则生动展示了SLiP肌肉带来的大变形能力。机器人的足间长度变化率达到41.6%,实现了高效的仿生爬行步态。

最能体现其精密操作潜力的,是一个软体触手。该触手在SLiP肌肉的驱动下,实现了高达256°的极致弯曲。

它不仅能够灵活地缠绕抓取不同直径的圆柱体物体,还能成功抓取形状不规则的金属夹等物品,展现了出色的环境适应性与抓取鲁棒性。

最后,团队集大成地开发了一款由SLiP肌肉驱动的仿生软体手。其手指比例仿照人手设计,能够产生类人的大幅弯曲,并成功抓取了重量5-57克、尺寸25-65毫米范围内的多种物体。

这些演示无一例外地证明,SLiP肌肉能够为软体机器人提供大幅、可编程且无需预载的驱动能力,是构建高性能仿生系统的理想致动器。

▍未来之路:挑战与无限可能

尽管优势显著,研究团队也清醒地指出了SLiP技术当前面临的三大挑战。

首先,节距的形成依赖于取向半结晶纤维的热松弛与分子重排,这在一定程度上限制了可有效加工的材料范围。

其次,为追求高应变而设计的大初始节距,会降低肌肉刚度,限制其力输出,对于需要高负载的应用场景构成挑战。

最后,长期的热循环可能引入聚合物材料固有的、缓慢的粘弹性几何变化,长期稳定性仍需在更严苛的工作条件下进行考察。

展望未来,研究团队表示,下一步工作将聚焦于拓展材料体系、优化结构设计以平衡力与应变,并深入研究长期循环行为,进一步提升SLiP肌肉在实用软体机器人系统中的可靠性。

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-3190/ae37b7

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
上海多家银行明确:1991年前生人不能新办理40年期房贷

上海多家银行明确:1991年前生人不能新办理40年期房贷

财联社
2026-09-03 14:38:03
5年2.08亿!火箭非全额顶薪提前续约阿门 上季多数据创新高成核心

5年2.08亿!火箭非全额顶薪提前续约阿门 上季多数据创新高成核心

醉卧浮生
2026-09-03 22:42:05
杭州知名炒货店老板方林富去世,享年56岁,在杭州亲力亲为开炒货店37年,大家称他:本土炒货界的守夜人

杭州知名炒货店老板方林富去世,享年56岁,在杭州亲力亲为开炒货店37年,大家称他:本土炒货界的守夜人

极目新闻
2026-09-03 21:00:19
男子去南宁旅游逛夜市,被街边按摩摊大妈热情拉住,5个大妈各司其职按到发红,35分钟花了250元,当事人:路人边看边笑,我痛到不敢叫

男子去南宁旅游逛夜市,被街边按摩摊大妈热情拉住,5个大妈各司其职按到发红,35分钟花了250元,当事人:路人边看边笑,我痛到不敢叫

大风新闻
2026-09-03 22:33:03
女子需求大偷情10年,28岁的情夫吃不消想分手,2017年她雇来杀手弄残情夫

女子需求大偷情10年,28岁的情夫吃不消想分手,2017年她雇来杀手弄残情夫

汉史趣闻
2026-09-03 11:39:41
山东一45岁产妇剖宫产术中呼吸心跳骤停,抢救52天后身亡,医疗事故鉴定结论3次反转:从“无责”到“医方轻微责”再到“医方主责”

山东一45岁产妇剖宫产术中呼吸心跳骤停,抢救52天后身亡,医疗事故鉴定结论3次反转:从“无责”到“医方轻微责”再到“医方主责”

大风新闻
2026-09-03 17:50:05
G20大合照刚刚曝光,站位安排就迅速引爆争议!日本代表现身“C位”,中国代表的位置却出乎不少人预料,美国究竟在借合影传递什么信号?

G20大合照刚刚曝光,站位安排就迅速引爆争议!日本代表现身“C位”,中国代表的位置却出乎不少人预料,美国究竟在借合影传递什么信号?

扶苏聊历史
2026-09-03 14:56:15
陈观泰抢救无效去世,周星驰竟因一个举动实现口碑暴涨

陈观泰抢救无效去世,周星驰竟因一个举动实现口碑暴涨

洲洲影视娱评
2026-09-03 14:43:50
会哭的孩子有奶吃,体育局妥协,刘翔新职为莘庄田径基地技术顾问

会哭的孩子有奶吃,体育局妥协,刘翔新职为莘庄田径基地技术顾问

姜大叔侃球
2026-09-03 20:37:46
武大“学术妲己”事件:两个女儿,86页PDF举报…武大又站在了风口浪尖。

武大“学术妲己”事件:两个女儿,86页PDF举报…武大又站在了风口浪尖。

贴小君
2026-09-04 01:07:36
某权威媒体3个月内,报道海参崴10多次遭网友指责,评论区猜测或有深意

某权威媒体3个月内,报道海参崴10多次遭网友指责,评论区猜测或有深意

消失的电波
2026-09-03 17:58:19
整容失败?33岁周冬雨近照脸垮僵硬像40岁大妈,撞脸郑秀文认不出

整容失败?33岁周冬雨近照脸垮僵硬像40岁大妈,撞脸郑秀文认不出

瞎说娱乐
2026-09-03 14:23:06
韩方拒换涉台标牌,中方开幕前断然撤展,想凭道歉了事已不可能了

韩方拒换涉台标牌,中方开幕前断然撤展,想凭道歉了事已不可能了

军情观察家
2026-09-03 18:21:54
特大丑闻!范辰、江丞华律师被重庆两江新区法院拦在法庭外 ,里面却照常缺席开庭

特大丑闻!范辰、江丞华律师被重庆两江新区法院拦在法庭外 ,里面却照常缺席开庭

宾语观世
2026-09-03 17:56:25
电车20年内必被淘汰?戳中了新能源最不敢面对的财政死穴

电车20年内必被淘汰?戳中了新能源最不敢面对的财政死穴

民间胡扯老哥
2026-09-03 06:36:08
肖磊:伊朗当局为什么渴望美国继续打他

肖磊:伊朗当局为什么渴望美国继续打他

肖磊看世界
2026-09-03 15:14:44
电梯造谣女伏法!舆论再次失控,网友疯狂抵制,关联品牌被拉下水

电梯造谣女伏法!舆论再次失控,网友疯狂抵制,关联品牌被拉下水

社会日日鲜
2026-09-03 11:00:32
全程压制,郑钦文突破心魔,普丁塞娃被打崩溃,中国金花怒吼观众

全程压制,郑钦文突破心魔,普丁塞娃被打崩溃,中国金花怒吼观众

南海浪花
2026-09-04 05:31:05
公司AI上线一天,把老板3个亲戚吃空饷的事当众抖出来了,网友:说要拥抱AI结果被抱摔

公司AI上线一天,把老板3个亲戚吃空饷的事当众抖出来了,网友:说要拥抱AI结果被抱摔

互联网大观
2026-09-03 16:24:21
经济学家朱嘉明:发钱当然能提振消费,但要解决居民消费预期问题

经济学家朱嘉明:发钱当然能提振消费,但要解决居民消费预期问题

每日经济新闻
2026-09-03 22:30:08
2026-09-04 06:55:00
机器人大讲堂 incentive-icons
机器人大讲堂
立德机器人平台,是一个集媒体品牌、智库咨询、投资孵化、引智招商为一体的机器人垂直领域服务平台
7036文章数 4599关注度
往期回顾 全部

科技要闻

英伟达129亿美元拿下Hugging Face

头条要闻

男子逛夜市遭按摩摊大妈拉住 被5个大妈服务按到发红

头条要闻

男子逛夜市遭按摩摊大妈拉住 被5个大妈服务按到发红

体育要闻

梅西:巴萨10号与阿根廷10号

娱乐要闻

王宝强携女友回工作室!相恋8年仍未婚

财经要闻

章子怡套现3亿 上美拿什么补韩束的缺?

汽车要闻

限时权益价28.99万起 FREELANDER神行者8正式上市

态度原创

艺术
本地
游戏
数码
公开课

艺术要闻

放大《汉宫春晓图》:撕掉宫斗剧滤镜,这才是明代深宫女子的真实日常

本地新闻

昆明的雨,解锁汪曾祺的浪漫雨季

《食人鲨2》正式公布!新预告亮相 2027年发售

数码要闻

IFA前夜,云鲸将十周年发布会开到了柏林,还顺手秀了波具身智能

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版