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江蘇大學(xué)胡興好等 PNAS：快速、變剛度誘導(dǎo)的編織卷繞型人工肌肉
2024-11-10  來源：高分子科技

  近年來，開發(fā)同時(shí)具備響應(yīng)速度快、絕對(duì)輸出功大的纖維人工肌肉對(duì)其在柔性可穿戴外骨骼等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。加捻卷繞型人工肌肉具有媲美自然肌肉的性能而被廣泛研究。然而由于加捻纖維的捻度從表面到其中心逐漸遞減，處于中心部分的纖維對(duì)人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的貢獻(xiàn)甚微，這意味著在纖維中心的輸入能量沒有得到有效利用。有研究通過鞘-芯結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)來解決響應(yīng)速度和能量效率問題。然而，這種中空結(jié)構(gòu)需要較厚的壁厚來避免扭轉(zhuǎn)引起的管塌陷，這增加了肌肉重量，減少了輸出功。


  為解決上述科學(xué)問題，近日，江蘇大學(xué)胡興好副教授等提出編織包覆中空管構(gòu)筑編織卷繞型人工肌肉的新方法，并提出了變剛度的驅(qū)動(dòng)理論。具體原理為：在氣壓作用下，中空管帶動(dòng)編織管直徑膨脹，肌肉剛度隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉在拉伸負(fù)載下收縮，在壓縮負(fù)載下伸長(zhǎng)。該肌肉可在低氣壓下實(shí)現(xiàn)快速、大沖程和高頻驅(qū)動(dòng)。此外，由于其低成本、高性能和易于制造，編織卷繞型人工肌肉（BCM）滿足了當(dāng)前機(jī)器人驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的需求。最后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三種機(jī)器人，包括爬行機(jī)器人、行走機(jī)器人和攀爬機(jī)器人，展示了其在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。爬行機(jī)器人可以達(dá)到22.5 cm/s (2.25個(gè)身體長(zhǎng)度/秒)的速度；行走機(jī)器人可以達(dá)到12.5 cm/s的速度直線行走，也可以在14秒內(nèi)以0.1cm-1的曲率轉(zhuǎn)動(dòng)方向，同時(shí)保持1.1 cm/s的最大速度。


  該研究成果以“Fast, variable stiffness-induced braided coiled artificial muscles”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上。


  該論文署名江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為第一單位,胡興好副教授為第一作者，碩士生王翔宇和碩士生王健為共同第一作者，通訊作者為胡興好副教授、程廣貴教授、丁建寧教授和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校雷伊·鮑曼院士。該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程和江蘇省優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目的資助。


圖1.編織卷繞型人工肌肉的制作與結(jié)構(gòu)。（a）制造BCM的示意圖。（b）掃描電鏡圖像顯示中空管的橫截面，其內(nèi)壁表面涂有炭黑以提供導(dǎo)電性。（c-e）SEM電鏡圖像顯示了不同放大倍數(shù)下的中空管內(nèi)壁，表明炭黑均勻地涂覆在中空管內(nèi)壁上。


圖2. 編織卷繞型人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試。（a）在不同負(fù)載下，BCM收縮率與氣壓之間的關(guān)系。虛線表示該BCM的相鄰線圈接觸。（b）在不同彈簧指數(shù)下，BCM的收縮率與負(fù)載之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)使用的空氣壓力為0.14 MPa，最大收縮率為70%。（c）不同彈簧指數(shù)BCM工作能力與負(fù)載之間的關(guān)系。（d）在不同負(fù)荷下的BCM收縮率與頻率之間的關(guān)系。施加的空氣壓力為0.12 MPa。（e）在155 g負(fù)載下BCM的收縮功率密度和收縮效率與頻率之間的關(guān)系。（f）在施加0.1 MPa氣壓、125 g負(fù)載下以5Hz氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)BCM的驅(qū)動(dòng)周期。其中插入圖提供了五個(gè)的驅(qū)動(dòng)周期。


圖3. 編織卷繞型人工肌肉的無泵驅(qū)動(dòng)性能。（a）液氣相變引起的體積膨脹示意圖。（b）當(dāng)施加0.008 Hz，10.5 V方波電壓時(shí)，在50 g負(fù)載下，BCM中空管的體積變化與肌肉表面溫度的變化之間的關(guān)系。（c）當(dāng)0.008 Hz， 10.5 V電壓作用于BCM導(dǎo)電內(nèi)表面時(shí)，BCM收縮率與時(shí)間之間的關(guān)系。（d）在0%預(yù)應(yīng)變時(shí)，BCM的產(chǎn)生的力和相應(yīng)肌肉表面溫度與時(shí)間之間的關(guān)系。


圖4.編織卷繞型人工肌肉的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。受力F時(shí)BCM受力分析示意圖。符號(hào)為：施加的拉力（F）、F對(duì)編織管截面產(chǎn)生的扭矩（M）、負(fù)載狀態(tài)下單個(gè)編織纖維所受的剪切力（Fi）、人工肌肉半徑（R）、編織角（α）和編織纖維線半徑（rb）。


圖5. 編織卷繞型人工肌肉在機(jī)器人上的應(yīng)用。（a）（上）使用三個(gè)BCM的攀爬機(jī)器人示意圖。（下）實(shí)時(shí)圖片顯示機(jī)器人能夠沿著一根電線爬。（b）（上）由兩個(gè)BCM組成的攀爬機(jī)器人示意圖。（下）機(jī)器人以22.5cm s?1的速度在地上行走的光學(xué)圖像。（c）（上）由8個(gè)BCM組成的雙足機(jī)器人示意圖。（下）雙足機(jī)器人以12.5cm s?1的速度在地上行走的光學(xué)圖像。（d）一個(gè)由BCM驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂（C = 2.3），能夠舉起各種重量物品。葡萄、玩具車和小雞玩具的重量分別是46 g、50 g和32 g。施加的氣壓為0.12 MPa。


  文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412288121

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