麻省理工學院研發新型電驅動人工肌肉纖維

肌肉是一種能夠產生可控力量的高效系統，致力于開發機器人或假肢硬件的工程師們長期以來努力尋求能夠接近肌肉獨特性能的替代品——兼具強度、快速響應、可擴展性與精確控制。如今，麻省理工學院媒體實驗室與意大利巴里理工大學的研究人員聯合開發出一種人工肌肉纖維，在多項關鍵性能上已能與生物肌肉相媲美。

與捆扎成生物肌肉的纖維束類似，這種人工纖維可根據不同任務需求靈活排列組合。與傳統機器人驅動系統不同，它足夠柔順，能與人體舒適貼合，且無需電機、外部泵或其他笨重的輔助硬件即可靜音運行。

這種新型電流體纖維肌肉——以纖維形式構建的電驅動執行器——相關研究成果已發表于《科學機器人》（Science Robotics）期刊。該研究由媒體實驗室博士候選人奧茲甘·基利奇·阿夫薩爾、巴里理工大學教授維托·卡庫喬洛以及四位聯合作者共同主導。

纖維形態的電動"肌肉"

阿夫薩爾介紹，該系統融合了兩項技術：一是基于流體驅動的人工肌肉——薄型麥基本執行器；二是基于電流體動力學（EHD）原理的微型固態泵，該泵無需運動部件或外部供液，即可在密封流體腔內產生壓力。

阿夫薩爾指出，迄今為止，大多數流體驅動軟執行器依賴于外部"笨重、體積龐大、噪音明顯的液壓基礎設施"，"這使得它們難以集成到對移動性或緊湊輕量設計有要求的系統中"，這已成為流體執行器在實際應用中的根本瓶頸。

突破瓶頸的關鍵，在于采用了基于電流體動力學原理的集成微型泵。這些毫米級電驅動泵通過向介電流體注入電荷來產生壓力和流動，生成的離子會帶動流體一同運動。每個泵僅重幾克，直徑與牙簽相近，可實現連續制造并輕松擴展規模。阿夫薩爾表示："我們將這些纖維泵與薄型麥基本執行器集成在一個封閉流體回路中。"她坦承，鑒于兩個組件之間存在不同的動力學特性，這項整合工作并不簡單。

一項關鍵設計策略是將這些纖維配置成所謂的"拮抗結構"。卡庫喬洛解釋稱，這就好比彎曲手臂時"一塊肌肉收縮，而另一塊肌肉伸展"——肱二頭肌收縮，肱三頭肌拉伸。在該系統中，一個毫米級纖維泵置于兩個同等尺寸的麥基本執行器之間，將流體驅入一側執行器使其收縮，同時放松另一側。

阿夫薩爾表示："這與生物肌肉的配置和組織方式非常相似。我們選擇這種結構，并非單純出于仿生考量，而是因為我們需要一種在肌肉設計內部儲存流體的方法。"需要一個向大氣開放的外部儲液腔，一直是限制EHD泵在實驗室外機器人系統中實際應用的主要因素之一。研究團隊將兩根麥基本纖維串聯，中間夾入纖維泵形成封閉回路，從而徹底消除了這一限制。

另一項重要發現是，肌肉纖維需要進行預增壓處理，而非簡單注液。阿夫薩爾說："系統存在一個最低內部壓力閾值，低于該閾值，泵會發生性能下降甚至暫時停止工作。"這是因為當泵入口處的壓力降至液體蒸氣壓以下時，會產生空化現象——蒸汽氣泡形成，最終導致介電擊穿。

為防止空化，研究人員從一開始就施加了一個"偏置"壓力，確保纖維泵入口處的壓力始終不低于液體的蒸氣壓。該偏置壓力的大小可根據具體應用場景進行調節。阿夫薩爾指出："為使肌肉發揮最大收縮力，我們發現存在一個最優的偏置壓力范圍。如果希望系統響應更快，可以適當提高偏置壓力，但最大收縮量會有所下降。"

卡庫喬洛補充道，當今大多數機械手臂和機械手都圍繞伺服電機構建，其工作方式與自然肌肉存在本質差異。伺服電機在軸上產生旋轉運動，必須轉換為直線運動，而肌肉纖維天然就是線性收縮和伸展——這種電流體纖維同樣如此。

"大多數機械臂和人形機器人是圍繞驅動它們的伺服電機進行設計的，"他說，"這造成了集成約束，因為伺服電機難以密集封裝，且質量往往集中在其驅動的關節附近。相比之下，纖維形態的人工肌肉可以在機器人或外骨骼內緊密排列，分散分布于整個結構中，而非集中于關節處。"

這種電流體肌肉在可穿戴領域尤具應用前景，例如幫助人類搬運重物的外骨骼，或恢復、增強靈活度的輔助設備。其底層原理還可廣泛推廣。卡庫喬洛表示："我們的研究成果可延伸至流體驅動機器人系統的整體領域。凡是使用流體執行器，或工程師希望以內置泵替代外部泵的場合，這些設計原則均可適用于各類流體驅動機器人系統。"

瑞士洛桑聯邦理工學院軟換能器實驗室教授赫伯特·謝亞（未參與本研究）表示，這項工作"在纖維形態軟體執行領域取得了重大突破"，"解決了該領域長期存在的若干難題，尤其是在便攜性和功率密度方面"。他還指出："泵中無運動部件使這些肌肉能夠靜音運行，這對假肢裝置和輔助性可穿戴設備而言是一大優勢。"

謝亞還評價道："這項高質量、嚴謹的研究彌合了基礎流體動力學與實際機器人應用之間的鴻溝。研究團隊提供了完整的系統級解決方案——對各組件進行了詳細表征，建立了預測性物理模型，并通過一系列演示裝置加以驗證。"

研究團隊除阿夫薩爾和卡庫喬洛外，還包括巴里理工大學的加布里埃萊·普皮洛和詹納羅·維圖奇，以及麻省理工學院媒體實驗室的韋迪揚·巴巴泰因和石井裕教授。本研究得到歐洲研究理事會和媒體實驗室多方聯合資助的支持。

Q&A

Q1：電流體纖維肌肉和普通機器人伺服電機有什么區別？

A：伺服電機產生旋轉運動，需額外機構轉換為直線運動，且質量集中在關節處，難以密集封裝。電流體纖維肌肉像生物肌肉一樣天然實現線性收縮與伸展，可在機器人或外骨骼內緊密排列、分散分布，無需笨重的外部液壓設備，運行時完全靜音，更適合可穿戴和人機協作場景。

Q2：電流體纖維肌肉為什么需要預增壓？

A：如果系統內部壓力過低，泵入口處的壓力會降至液體蒸氣壓以下，產生空化現象——蒸汽氣泡形成并最終導致介電擊穿，使泵性能下降甚至停止工作。因此研究人員從一開始就施加"偏置"壓力，確保泵始終在安全壓力范圍內運行。偏置壓力的大小可根據需求調節，以平衡最大收縮量和響應速度。

Q3：電流體纖維肌肉有哪些實際應用場景？

A：該技術在可穿戴領域尤具前景，例如幫助人類搬運重物的外骨骼，或用于恢復和增強靈活度的肢體輔助裝置。由于其柔順、靜音、無外部泵的特點，也非常適合假肢設備和輔助性可穿戴設備。此外，其底層設計原則可推廣至所有使用流體執行器的機器人系統，應用范圍十分廣泛。