南洋理工/港中文《先进材料》交互式软机器人的人造肌肉最新进展

【科研摘要】

人造肌肉是智能和交互式软机器人系统的核心组件，提供了形状变形，操纵和移动性的功能。人造肌肉开发方面的大量研究工作基于介电弹性体致动器，气动致动器，电化学致动器，软磁致动器和刺激响应性聚合物。最近的进展表明，人造肌肉具有比自然肌肉更出色的比功率输出，可以编程和重新配置的灵巧形状变形行为，以及穿越障碍物和不同纹理的表面的出色的高机动性。最近，新加坡南洋理工大学Pooi See Lee和香港中文大学(深圳) Jiangxin Wang教授团队提供了简要和重要的摘要，介绍了在最近的研究中为人造肌肉的重要进步做出贡献的材料和策略。在此基础上，讨论了将软电子设备与人造肌肉集成在一起以实现智能和交互式软机器人系统的机会。相关题为‘‘Recent Progress in Artificial Muscles for Interactive Soft Robotics’’的论文刊发在10月《Advanced Materials》上。

【图文解析】

1.引言

天然肌肉具有以下显着特征：≈0.35MPa的大应力，在≈20％以上的应变下具有较高的顺应性，323 W kg–1的高峰值输出功率，具有数十亿次重复收缩循环的出色机械稳定性以及可再生能源的利用高效生物燃料（约40％）。具有电磁马达和内燃机的传统致动技术已经成为用于驱动机器人和假体设备的主要方法。尽管在实现与肌肉类似的性能方面仍存在挑战，可以在各个方面将其与天然肌肉进行比较，但人造肌肉在某些特定性能上已经能够超越天然肌肉。例如，介电弹性体致动器（DEA）能够产生> 300％的应变；热响应性卷曲聚合物纤维可实现27.1 kW kg–1的惊人比功率，这是自然肌肉峰值输出功率的84倍；可以对加压流体执行器进行编程，以使其转变为复杂的3D纹理并模仿天然的石头和植物；具有小特征尺寸的软磁致动器可以提供多种机车模式，包括游泳，潜水，步行，跳跃和爬行。

2. 束缚电源的人造肌肉

2.1介电弹性体致动器

在自然界中，具有平面外驱动的复杂形状变形非常丰富，可以在生物系统中轻松找到。控制和编程DEA器件的形状变形中的曲率已成为扩大其实际应用的重要课题。然而，刚性支架在装置中产生了一致性问题。作为一种替代方法，如图 1a所示，可以使用多个设备层来实现平面外的驱动，而无需使用刚性支架。通过堆叠具有圆形，叉指状电极的多个介电弹性体层，电极的直径从下到上减小，软致动器可以提供具有正高斯曲率的形状变形（图 1b）。通过设计图1c中所示的电极图案，DEA条带可以变形为具有正曲率或负曲率的环形形状 。有趣的是，该方法可能导致设备中的形状变形，该变形是由两组电极创建的（图 1d）。通过用不同的电偏置寻址不同的电极组，可以实现高斯曲率的可变组合以重新配置设备的形状变形行为。人造肌肉的可重新配置和可编程形状变化对于在软机器人系统中实现适用于不同任务应用的适应性机械功能至关重要。我们的小组展示了一种不同的策略，可以通过将可折叠的乙基纤维素（EC）纸合并到设备结构中来在DEA设备中实现可重构3D形状变形，这可以“指示”在电偏压下DEA设备的横向扩展，如图所示如图1e所示 。

图1 a）示意图，显示了具有多个器件层的DEA的结构和制造顺序。b）具有圆形叉指状电极的多层结构DEA，左图。右图显示了产生的具有正高斯曲率的电场和形状变形。如底部图像所示，DEA中的电极半径随高度降低。c）用相应的电极设计将介电弹性体变形为不同的形状。d）通过在设备中应用两组电极，可重构DEA可以变形为圆顶形和鞍形。顶部图像显示了相应的电极设计。

2.2电液动和电气动致动器

在常规的EHD致动器中，针状电极用于电荷注入，而较大尺寸的反电极用于收集自由电荷。锋利的针状电极专门用于在针的边缘积累高密度电荷，从而易于将自由电荷感应到介电液中并引起EHD流动。Edamura的小组演示了机械手和微型尺虫通过使用这种电极设计。然而，这种电极配置使得难以实现完全顺从的器件结构。直到最近，Shea团队还通过使用嵌入整体式弹性体管中的可变形电极（可拉伸银墨水或可拉伸炭黑/弹性体复合材料）展示了可拉伸EHD泵（图 2a上图）。在EHD泵中以50％的可拉伸性实现了高机械顺应性（图 2a底部图像）。可伸缩EHD泵的机械输出令人印象深刻，显示出与其他市售压缩机相当的比压和比流速（图 2b）。通过与弹性腔室集成，可拉伸的EHD泵可用于获得独立的流体肌肉，该肌肉能够进行可逆的弯曲驱动，而无需外部压缩系统（图 2c）。

图2 a）顶部的示意图显示了软EHD致动器的设备结构。底部的照片显示出柔软的EHD执行器具有良好的机械性能。b）可伸缩EHA压缩机与商用压缩机之间的性能比较。c）通过将EHD压缩机集成在流体执行器中实现的人造肌肉。

2.3电化学致动器

Lu等已经证明了石墨二炔（一种二维碳同素异形体）作为电化学致动器的电极材料。致动器的机电效率高达≈6％，电化学致动器的响应频率达到0.1到30 Hz，考虑到与其他执行器的。电刺激下石墨二炔中的烯烃－炔烃复杂过渡效应导致键长变化（图 3a），从而导致电极中的宏观机械应变（图 3b））。同样，二维二硫化钼（MoS2）纳米片中的电化学电荷会影响原子间键和原子之间的距离。在MoS2电化学致动器中实现了非常低的操作电压，介于0.3至–0.3 V之间，这是去除和插入阳离子所需的电压，并在2D纳米片中具有相应的收缩和膨胀驱动力（图 3c）。MoS2具有大的弹性模量（2-4 GPa）在电极层中，电极膜的变形会导致电化学致动器产生较大的力输出，这可能会使电极重量增加150倍以上的质量。通过与聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）离子交联，成功解决了在MXene电极中实现机械相容性的难题，其他2D纳米材料，例如MXene，也已成功地用于电化学致动器（图 3d）。致动器在0.1到1 V之间的低电压输入下工作，弯曲应变≈1.37％。通过与Nafion电解质膜组装，可以将电化学致动器制成独立的气动软致动器（图 3e）。Cheng等报告了镍纳米线森林作为具有电化学驱动作用的活性材料，它通过氧化/还原过程诱导纳米线中的应变（图 3f）。

图3 a）示出了石墨二炔材料的致动机理的示意图。b）石墨二炔执行器在0.1 Hz的电偏压为2.5 V时的致动行为。a，b）是根据CC‐BY知识共享署名4.0国际许可的条款复制的。c）二维MoS2膜的扫描电子显微镜（SEM）图像以及在不同电偏压下MoS2致动器的致动行为。d）示意图，显示了离子交联的MXene的结构和合成过程。e）应用独立的MXene致动器以使花型机器人成为可能。f）用镍纳米线森林示意图和照相电化学致动器。

2.4流体弹性体致动器

开发有限元分析的努力主要集中在材料或结构的设计上，以实现可控的形状变形行为。由于机械输出是由加压流体下的材料变形产生的，因此它们的机械性能（包括杨氏模量，可拉伸性和机械强度）是决定设备性能的重要因素。设计软FEA的策略主要基于材料方法，该方法依赖于混合器件配置中具有不同杨氏模量的材料（图 4a顶部图片）和创建非对称结构设计的结构方法（图 4a）。不可拉伸的纤维网被图案化为同心环，从而在弹性膜的变形中提供了周向约束，从而在压力下产生垂直位移。纤维环图案的设计可能会导致弹性膜的周向约束可控，并提供可预测的3D形状变化（图 4b）。例如，控制径向网格的间距和尺寸，实现了3D形状随正，零和负高斯曲率的变化（图 4c）。可以将具有不同高斯曲率的形状变化编程到单个膜中，从而实现自然形状的重建（图 4d）气动驱动。

图4 a）显示实现有限元分析的常用方法的示意图。b）显示充气硅胶膜的照片（右图）和无（左图）圆周约束。c）显示在纤维网中具有正设计（左图），零（中间图）和负（右图）高斯曲率的软执行器的照片。d）通过组合不同的高斯曲率设计，将设备变形为天然河石的形状。b–d）经许可复制。e）示意图，显示了巴洛克式的原理（上图）。照片显示巴洛克形态的变形以及相应的气道设计（下图）。f）通过具有圆形同心气道和径向气道的巴氏体获得不同的3D形状。g）通过相应的气道将巴氏变形为面部形状。

3. 不受束缚电源的人造肌肉

3.1电磁致动器

在软磁致动器中创建和编程可控的磁化曲线是一个核心研究课题。由于产生的磁转矩τ= m × B，其中m是磁性复合材料的磁矩，B是作为施加的磁场，可以提供大的剩余磁化强度的磁性材料很重要。Hu等报告了一种在软磁执行器中创建单波长谐波磁化曲线的简单方法（图 5a顶部示意图），这是通过在使用大而均匀的磁场将复合材料磁化时将软磁性复合材料缠绕在圆柱形玻璃棒上而实现的。复合材料的空间变化磁化强度与均匀磁场之间的相互作用可能会产生内部扭矩，从而使软机器人变形为不同的形状，如图5a所示 。结合时变外部磁场，该软机器人具有出色的高机动性，可以在弯曲的固体表面或水中进行复杂的爬行，跳跃，游泳，滚动，行走和运输物体等运动模式（图 5b）。

图5 a）在不同磁场下，软磁致动器中的磁化曲线和致动器的形状变形。b）展示了具有不同运动模式的软磁致动器的高机动性。c）示意图，显示了磁性复合材料的印刷过程。d）用交替磁畴编程的单根光纤的形状变形。e）打印具有已编程磁畴和相应形状变形行为的2D结构。f）具有长宽比的纳米磁体的磁光克尔效应磁滞回线。g）纳米磁铁致动器的设备配置。h）通过施加不同的磁化场序列，纳米磁体致动器的形状变形行为。

4与功能设备的集成

4.2与响应整合

受人类皮肤感应能力的启发，能够对输入刺激（特别是应变，压力和温度）进行外在感知，以改善软机器人在操纵，移动和交互方面的操作。常规传感电子设备缺乏合规性是它们与软机器人系统集成的限制因素。软传感电子学的进步为探索不同的集成方法提供了范例。

除了利用软执行器的自我感应功能之外，将传感设备与软致动器进行系统集成是一种替代方法，可以在系统中实现更多功能。Lewis的团队已经实现了一种软体感致动器，该功能通过将可拉伸的压力和温度感应装置与软性气动致动器集成在一起，能够进行触觉和温度感应。离子导电胶的不同层被印刷到气动致动器中，以实现软执行系统中的触觉感应功能。利用离子凝胶的压阻特性，该设备可以基于来自三个不同离子凝胶感应层的信号（图 7a）清楚地识别出不同的运动，例如弯曲和轻弹。基于不同温度下离子凝胶层的电导率变化，软设备可以感应被抓物体的温度（图 7b）。Zhao等报道了在义肢中使用可拉伸光波导作为应变感测组件（图 7c）。光波导由具有高折射率芯和低折射率壳的弹性体制成。可以测量透射光的功率损耗，以检测可拉伸波导上的机械变形，例如伸长，弯曲和挤压。将波导应变传感器与气动执行器集成在一起，就可以形成柔软的假手，从而可以提供主动的触觉感应功能，以感觉物体的形状和柔软度（图 7d）。

图8 a）示意图，显示了自变形发射设备的设备结构（顶部图像）和照片（底部图像）。b）将ACEL设备与气动致动器集成在一起。c）显示电化学致动器具有形状变形和颜色变化的双重功能的照片。d）显示在DEA的不同致动应变下机械变色层的颜色变化的照片。e）显示从DEA发出声音的工作机制的示意图。

全文参见：

doi.org/10.1002/adma.202003088

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