Science Robotics：MIT等开发突破性人造肌肉，可举200倍自重

仅2毫米粗细，却能举起自身200倍的重量！

功率密度堪比骨骼肌肉，响应速度快至0.3秒，且无需外部储液罐，实现了电气驱动、无绳化且静音运行。

更厉害的是，它还能像纱线一样，直接被织成“动力布料”，给机器人穿上一身“肌肉外衣”。

来自美国麻省理工学院和意大利巴里理工大学的研究团队最新开发出一种电液纤维肌肉（Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs），首次实现了与哺乳动物骨骼肌相当的功率密度。这项研究发表在最新一期的国际顶级期刊《Science Robotics》上。

01.

电液纤维肌肉：软体机器人的新突破

机器人要像人类一样灵活自如，关键之一在于驱动器——就像肌肉之于人体。

然而，传统的伺服电机虽然功率密度高、效率可靠，但相对笨重的外形严重限制了它在软体机器人和可穿戴设备中的应用。要将运动传递到旋转关节以外的任何部位，还需要额外的滑轮和肌腱等组件。

相比之下，生物肌肉纤维可以模块化地组织成各种结构，通过增加每束纤维的数量能够实现轻松调节力量大小。这种天然的优势让研究人员一直在寻找能够媲美生物肌肉的人工替代品。

来自美国麻省理工学院和意大利巴里理工大学的研究团队最新开发的电液纤维肌肉（Electrofluidic Fiber Muscles, EFMs），给出了一份突破性的答案。

这种人工肌肉直径仅1-2毫米，收缩应变可达20%，响应时间不到0.3秒。更重要的是，它们平均功率密度达到50W/kg，与人体骨骼肌相当。整个系统采用闭环设计，无需外部液体储存器，可以直接由电能驱动，实现静音运行。

研究团队通过三个不同的机器人演示展现了这种肌肉的多功能性：一个能在0.3秒内发射物体的快速杠杆臂；一个能举起4公斤重物（相当于自重200倍）的肌肉束；以及一个能让机械臂弯曲40度、柔顺到可以与人握手的编织肌肉。

02.

偏压是关键：让闭环系统高效运行

电液纤维肌肉的核心创新在于将电流体动力学（EHD）纤维泵与薄型McKibben驱动器结合，形成一个闭合的流体回路。

McKibben驱动器是一种经典的流体驱动器，由内部弹性管和外部编织层组成。当内部加压时，编织层引导变形使驱动器轴向收缩。而EHD纤维泵则是一种毫米级的软管，内嵌螺旋电极，能够在没有移动部件的情况下静默产生压力和流量。

传统上，McKibben驱动器需要外部泵和阀门，这严重限制了它们在便携式应用中的使用。研究团队的关键突破是采用拮抗配置——两个McKibben驱动器连接在纤维泵的两端，当一个收缩时，另一个延伸并充当储液器。

但要让这个闭环系统稳定工作，偏压（bias pressure）的设置至关重要。研究发现，在系统中预充一定量的介电液体，使其保持75 kPa的偏压时，性能达到最优。

这个偏压带来了三重好处：

首先，它防止了空化现象。当泵入口处的压力降到液体蒸汽压以下时，会触发电击穿，导致系统失效。适当的偏压确保入口处的绝对压力始终高于蒸汽压，从而允许施加更高的电压。实验显示，有偏压时系统能承受的电场强度是无偏压时的200%。

第二，偏压优化了泵-驱动器的匹配。McKibben驱动器具有非线性的压力-行程响应曲线，偏压使得泵产生的压力作用在曲线的陡峭区域，从而在相同压力下获得更大的收缩行程。在5N负载下，75 kPa偏压使收缩应变从不到2%提升到超过6%，增加了三倍。

第三，偏压使肌肉具有背驱动性（back-stretchability），这对于人机交互至关重要。当机器人手臂处于握手位置时，人类可以自然地摇动它，因为两块肌肉都能轻松变形。

03.

模块化设计：从快速投射到柔顺握手

电液纤维肌肉最大的优势在于其高度模块化的特性。通过简单地调整纤维泵和McKibben驱动器的数量及其排列方式，就能为不同的机器人任务定制性能。

研究团队开发了一个物理模型来指导设计。模型显示，串联的泵数量决定最大压力，而并联的泵数量决定最大流量。对于给定的驱动器，响应时间与并联泵数成反比，与驱动器的尺寸和数量成正比。

基于这个原理，团队展示了三种不同的配置：

快速杠杆臂采用四个并联的纤维泵驱动一对McKibben驱动器，实现了180毫米/秒的收缩速度。这个系统能在0.13秒内完全收缩，快到可以将乒乓球弹射到24厘米高。高速摄像机记录显示，从电压施加到物体离开发射台，整个过程不到0.3秒。

力量型肌肉束将8个McKibben驱动器捆绑成圆形几何结构，由两对串并联的纤维泵驱动。这个重22克的装置能够举起4.25公斤的重物（加上250克预载），实现30毫米的收缩行程（11%应变）。长期循环测试显示，在0.5 Hz频率下进行1000次循环后性能保持稳定。

编织肌肉展示了纤维形态的独特优势。10个并联的McKibben驱动器作为经线，两个并联的纤维泵作为纬线交织在一起，形成40厘米长、6厘米宽的柔性肌肉片。将其作为二头肌-三头肌对安装在机械臂上，不仅能让手臂弯曲42度，还保持足够的柔顺性完成人机握手。

研究还发现，通过调节驱动器与泵的比例，可以在力量和速度之间权衡。将二头肌中的McKibben驱动器数量从10个减少到2个，响应时间缩短了42%，而弯曲角度几乎没有变化。

这种电液纤维肌肉代表了软体机器人驱动技术的重要进展。它们不仅在功率密度上媲美生物肌肉，更重要的是提供了突破性的模块化和可重构性。纤维形态使得这些肌肉可以像纺织品一样编织、捆绑或排列，为未来的可穿戴机器人、灵巧操作手和仿生系统开辟了新的可能。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438