可编程人工肌肉纤维问世，不用组装，加热就知道该往哪里弯

大象的鼻子可以轻轻夹起一粒花生，也能推倒一棵大树；豌豆的卷须会绕着支架盘旋生长；蛋白质链在细胞内折叠成精密的三维构型。这些细长的生物条状结构之所以能完成如此复杂的运动，根源在于其内部运动区域与结构区域的精妙排布。

数十年里，合成材料科学家一直试图复现这种“将运动编码进材料结构”的能力，却往往无法兼顾制造精度与可编程性。近日，哈佛大学一项发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的新研究给出了一个具有启发性的方案。研究团队将旋转 3D 打印平台与液晶弹性体相结合，开发出一类兼具主动变形能力与精确几何可控性的复合纤维，在软体机器人的抓取系统和智能过滤器中展示出巨大潜力。

机器人动力系统的未来，或许不是液压机或电机，而是一束比头发丝粗不了多少，但会思考、会感觉、会自动收缩舒张的智能肌肉纤维。

（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

人工肌肉为何难造？

过去几年，人形机器人突然变得具体起来。波士顿动力的 Atlas 会后空翻、特斯拉 Optimus 能拧螺丝、Figure 的机器人在视频里还可以自主叠衣服。更有甚者，北京亦庄举办了机器人马拉松，三百多位机械之躯角逐真实城市跑道……

图 | 正在叠衣服的 Helix 机器人（来源：Figure）

你可能已经发现了，这些机器人身上最显眼的东西是外露的金属关节和液压管路，但在某些任务上，这些不够灵活柔韧的构件，恰恰也成了它们最大的局限。

问题出在驱动方式上。人类肌肉是一套极其精巧的软性系统，数以百万计的肌纤维协同收缩，可以轻柔地捏起一粒葡萄，也可以在瞬间爆发出足以撑起整个身体的力量。它们运作时悄无声息，无需外置能源管路，还能自我修复。而今天，绝大多数机器人的肢体活动依赖的是电机和液压缸，力量够大、控制够准，但本质上是刚性的，难以完成连续柔顺的运动，与人体或脆弱物体的安全接触更是系统性难题。

既然能仿照人类、动物的形态研发机器人，为何不能让驱动器本身变得像生物肌肉一样柔软、轻盈，既能产生复杂的三维形变，又能精确控制形变的方向和幅度？这个难题如果被解决，整个机器人的设计逻辑或许都将被重写，假肢、外骨骼、微创手术工具、以及任何需要在非结构化环境中与人共存的设备，也将迎来革命性的升级。

现有的柔性驱动方案包括气动弹性体、形状记忆合金、介电弹性体等，它们各有其局限：气动方案依赖外部气源，形状记忆合金应变量有限且响应较慢，介电弹性体则需要高压电场。

形形色色的短板之下，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）成了近年来受到广泛关注的候选材料。这种特殊聚合物结合了液晶的各向异性，以及橡胶弹性体的可逆形变能力：当温度升至液晶的向列相-各向同性相转变温度（TNI）以上时，内部介晶基元的有序排列被打乱，材料沿其分子取向方向发生可逆收缩；冷却后，有序排列恢复，材料回弹。这一特性使其成为最接近人工肌肉的材料之一。

然而，LCE 的应用潜力长期受到制造工艺的制约。要让 LCE 产生定向、可控的形变，必须在制备过程中精确控制介晶基元的取向。常用方法包括机械拉伸对齐、外加磁场或电场诱导取向等，过程复杂，且依旧难以在三维空间中任意编程。

另一个关键问题是，单一的 LCE 材料只能在均一方向上收缩，若要产生弯曲、扭转等复合运动，就需要在同一结构中同时存在主动收缩区域和定向约束区域，可谓难上加难。

如何实现如此精密的材料设计？哈佛大学的詹妮弗·A·刘易斯（Jennifer A. Lewis）教授团队将目光投向他们早已深耕多年的先进 3D 打印领域。2023 年，詹妮弗的团队在《自然》（Nature）发文，首次展示了其自研的旋转多材料 3D 打印平台（Rotational Multimaterial 3D Printing，RM-3DP），这项技术通过旋转打印头，在单根纤维内部实现亚体素级别的材料分布控制，可用于制造螺旋形介电弹性体人工肌肉和弹簧格栅结构。

图 | 旋转多材料 3D 打印平台（来源：https://www.nature.com/a）

RM-3DP 平台的核心原理并不复杂，只是需要精密的工程设计：打印头包含多个墨水通道，各通道可装载不同材料；喷嘴本身可以在打印过程中持续旋转，旋转速度与打印移动速度的比值决定了材料在纤维截面中的螺旋排布方式。通过实时控制旋转速率与挤出速率，研究人员可以在每一段纤维的横截面上精确规定各种材料所占的位置与面积，从而在整根纤维的三维结构中预设多种材料的具体分布。

让材料会旋转还能回弹

一根细丝在加热后能自动弯曲，冷却后又复原，那么它的弯曲角度、扭转方向、伸缩幅度都应该在生产过程中就被确定下来。在这项研究中，为了让材料“记住”自己加热后的形状，研究团队构建了两种材料组成的复合体。

其中，上文介绍过的液晶弹性体（LCE）会在温度升高时收缩，冷却后则恢复初始形状；而与 LCE 并排挤出的是一种普通软弹性体，它在温度变化时几乎不产生形变，具有一定刚度。

单凭 LCE 本身，加热只会让它均匀地缩短，就像一根橡皮筋被拉长后松手，它只会沿原来的方向收回去，不会弯曲。弯曲发生的前提是纤维两侧的收缩程度不同，却又被迫连在一起。

大家可能都有过不小心弄湿书本的经历，纸张变干的过程中，湿的那一面干燥收缩后，书页会整齐地朝那一侧卷曲。LCE与被动弹性体的组合正是这个逻辑，一侧想缩，另一侧不动，纤维只能弯折。

要想让这根纤维发生三维形变，可以在打印过程中持续旋转喷嘴，使 LCE 的挤出方向像拧麻花一样螺旋排布。这相当于在纤维内部“写入”了一个螺旋形的分子取向场。

加热激活后，LCE 沿局部取向方向收缩，螺旋取向场使收缩在空间上产生扭矩，驱动纤维产生扭转形变。旋转速率越高，螺旋角越大，加热后纤维的扭转分量相对弯曲分量也越大。这意味着，只需要调整打印时的旋转速率参数，就能直接调控材料的变形状态。

研究人员通过理论框架，将纤维的自然曲率-扭率场与打印参数（旋转速率、材料分布）关联起来，这进一步提高了可控性，打印前即可通过模拟预测材料的形变行为。为了进一步验证模拟的可靠性，研究团队还借助布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的国家同步辐射光源 II（NSLS-II），这套工具能直接观察到 LCE 分子在纤维内的螺旋排布，结果显示，材料的最终形态与理论预测高度相符。

从单根纤维到复杂结构

这种材料最简单的形态是双层结构的单根纤维，LCE 在纤维一侧、弹性体在另一侧，加热时，两侧收缩量不同，纤维相应弯曲。如果旋转喷嘴，使 LCE 螺旋分布在整个截面，纤维在加热后就会同时弯曲和扭转，形状也变为卷曲的螺旋，有点像被拉开的弹簧。

图 | 可编程的形状变形（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

验证了单根纤维编程的可行性，研究团队进一步将其作为构建复杂结构的基本单元。他们打印了正弦波形纤维：外形相同、弯曲的波浪状纤维，但 LCE 的位置不同。当 LCE 位于波峰的外侧（凸侧）时，加热使纤维趋于拉直、整体伸长；当 LCE 位于内侧（凹侧）时，同样的加热刺激反而使纤维进一步收缩、波形更深。

（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

外观相同的打印件，内部材料分布不同，就可以实现截然相反的形变行为。这种同形异构效应正是让材料结构记住运动属性的精髓。

从正弦波形纤维出发，把它编织成平面格栅，就得到了更具想象空间的功能性结构材料。其一是主动过滤器。格栅中的膨胀型单元格受热后，孔隙打开，可容特定尺寸的球形颗粒通过；冷却后孔隙收缩，颗粒就会被捕获或截留。

（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

其二是多目标抓取器。将自由立体格栅压到多根细杆下方，加热后，材料收缩夹紧并将细杆抬起，冷却后松开释放。整个过程无需外部机械驱动，完全受温度控制。

图 | 多目标抓取工具演示（来源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

尺寸缩放与未来集成

目前，该研究已能打印直径约 100 微米（0.1 毫米）的纤维，大约是人类头发丝直径的同一量级。研究团队认为，通过进一步优化定制化喷嘴设计和墨水流变性能，有望继续缩小尺寸。

关于功能集成，研究者指出，未来可以设计更复杂的多通道 3D 打印喷嘴，同时集成液态金属导线（用于电触发驱动）、流体通道或传感单元，使单根纤维在变形的同时还能传感或导电，从而实现真正的多功能一体化。这与近年来兴起的“智能软物质”方向高度契合。

材料本身也有更大的拓展空间。可由紫外/可见光触发的光响应型 LCE 已有报道，理论上可以将该打印平台的激活方式从热控拓展到光控，进一步提升应用灵活性。此外，通过引入具有动态共价键交换能力的 LCE 体系，还可能实现形状的“重编程”，使用一段时间后重新设定目标形状。

未来，这项技术有望在软体机器人抓手、主动过滤器与阀门以及生物医学等多个前沿领域发挥独特作用。

可温控变形的格栅结构可以同时轻柔地操控多个不规则形状的物体，在食品包装、精密装配等领域有应用价值。相比传统气动抓手，这一系统省去了气管和电磁阀，更简洁。孔径随温度可调的过滤器可用于流体控制、实验室芯片系统、智能纺织品中的透气调节等。

最具想象力的应用或许是可注射的自锁定纤维网络。将编程好的纤维注入体内特定部位，纤维相互缠绕锁定，形成高比表面积的多孔支架，有望在快速止血、组织修复等场景中发挥作用。当然，这一路径还需要解决材料生物相容性、体内长期稳定性等一系列问题，距离临床应用仍有相当距离。

需要客观指出的是，液晶弹性体目前的工业化程度仍然有限，成本相对较高，热致驱动的响应速度也不如气动或电动驱动器。此外，需要主动加热/冷却的驱动方式，从能量效率和驱动速度的角度看不够理想。这些因素意味着，LCE 基人工肌肉从实验室走向实际产品还需要材料化学、加工工艺和系统集成等多个层面的共同推进。

殊途同归：下一代人工肌肉的拼图

就在同一时期，针对“下一代人工肌肉”形态的问题，来自首尔国立大学和麻省理工学院的两个研究团队，从截然不同的技术路径出发，又分别给出了两套解法。

传统人工肌肉装置有一个几乎被默认接受的局限：驱动和感知是分离的。执行器产生运动，传感器监测状态，两者通过外部控制系统协调，这与生物肌肉的运作方式相距甚远。生物肌肉中，传入神经（感觉）与传出神经（运动）信号在同一纤维束内双向传导，肌肉既是力量的来源，也是环境信息的采集器。

首尔国立大学机械工程系 Yong-Lae Park 教授团队近期在《先进材料》（Advanced Materials）上发表的研究，将液晶弹性体与液态金属通道结合，构建了一种人工肌腱-肌肉复合体：各向同性 LCE 段充当弹性肌腱，向列相 LCE 段充当可收缩的肌肉主体；嵌入其中的两条液态金属通道各司其职：一条通电后产热，驱动 LCE 发生相变收缩；另一条实时检测内部形变和受力状态，充当本体感受传感器。

整套系统在一体化结构内同时完成了驱动和感知两类功能，无需外置传感器。整合进机器人系统后，配备这种肌肉的机械手指和抓手不仅能完成精细的抓取动作，还能自主判断物体的软硬程度和尺寸。通过将两根肌肉组成拮抗对（如生物体中的肱二头肌-肱三头肌），还可以实现收缩与舒张的精确协调控制与准确响应，比液压系统更智能。

图 | 人工肌腱-肌肉复合体（来源：DOI: 10.1002/adma.202503094）

如果说哈佛和首尔的工作都还依赖热刺激，麻省理工学院媒体实验室与意大利巴里理工大学联合开发的电流体纤维肌肉选择的是一种更独特的解法：它将流体驱动器与固态电泵在纤维尺度上集成为一体，实现通电即动的直驱模式。

在性能指标上，这套系统的每根纤维直径约 2 毫米，质量仅约 2 克；功率密度约为 50 瓦/千克，与人体骨骼肌相当；收缩应变达 20%；响应时间约 0.3 秒。演示中，一种杠杆式配置可在 0.2 秒内将物体弹出；多根纤维捆束后可举起 4 千克重物；仿肱二头肌-肱三头肌的对抗配置可驱动机器臂弯曲，但材料本身的触感依然柔软。

哈佛大学团队借助精准的多材料 3D 打印技术，在制造阶段就将形变模式写入材料，让结构本身承载运动逻辑；首尔大学希望让人工肌肉变得更像真实肌肉，实现感知-驱动一体化；MIT 的团队选择了为人工肌肉“上强度”，使其在不依赖外部基础设施的前提下，达到接近生物肌肉的力学性能。

总体来看，液晶弹性体和流体驱动都只是实现“软驱动”的手段，而感知集成、几何可编程和高功率密度几乎是任何一种实用人工肌肉都需要同时具备的属性。

毕竟，人工肌肉领域面临的根本挑战从未改变：真实的骨骼肌在力量密度、响应速度、疲劳寿命、自修复能力和多模态感知等维度上的综合表现，至今仍是任何单一人工方案难以全面超越的标杆。

未来，更成熟的系统很可能需要跨越这些技术路线的边界，集百家之长，将其整合进一整套材料-结构-系统框架中。例如，将 MIT 的闭合流体回路集成进哈佛可编程打印的格栅结构，或为感知运动一体化肌肉加装电流直驱的快速响应能力。

越来越多研究正从不同侧面逐步拆解这一复杂目标，为最终的融合铺垫技术基础。它们恰好构成一个颇具前景的互文：人工肌肉从实验室原型到实用器件的距离，正被一点一点地缩短。

参考内容：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2537250123

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503094

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

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成