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

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