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文 |溪知许a

编辑|溪知许a

前言

在最近的过去，气动人工肌肉在软体机器人的运动实现中扮演了关键角色。由于与其他不同致动源，形状记忆合金或聚合物，以及离子聚合物金属复合致动器等相比，它们在软致动方面具有有趣的机械特性例如，坚固性，高拉力，高功率质量比和高能量效率，因此受到强烈的研究关注。

许多研究人员和工程师已经探索了许多PAM的设计原理，并引入了广泛的机器人应用例如工业机器人，可穿戴设备或医疗设备等，解决了刚体机器人无法克服的一些挑战。

从材料的角度来看，PAM通常由可以在外部力下经历大变形的软材料构建。柔软性可能是由于它们的固有特性或由于其结构的特定设计或两者兼而有之。

在设计阶段，PAM的机械性能可以通过优化一些几何参数来调整，以实现特定的形态。特别地，需要在变形性和刚度之间取得平衡，这取决于所需的机械性能。采用了不同的设计原则。正如大多数这样的设计所示，径向应变是一个重要的参数，因为它对软致动器的线性变形比产生主要影响。

大多数正压软气动致动器包括：扩张的致动器部分或限制应变的组件，以指导所需方向上的弹性扩张。

在前一种情况下，通过采用特定的几何形状等，进行拓扑或形态学方法来产生径向扩张或者收缩。例如Peano流体致动器由一组并排排列的管道组成。在零压力下，致动器保持完全平坦。

一旦施加了正压力，每个圆柱形管道都会被充气，导致垂直收缩。另一个例子是利用可以减小径向应变并增加纵向应变的波纹管。这个设计原则非常有用，因为在正压力和真空下可以实现双轴变形。

在后一种情况中，采用了多材料组合的方法，例如McKibben致动器或褶皱式PAMs。McKibben致动器通常由一个柔性橡胶或硅胶圆柱形膜泡，覆有一种不可伸展的纤维网络，这些纤维在某一特定角度相交。

不同的运动轨迹可根据交叉角度启用。另一方面，PPAM通常由许多褶皱的膜组成，具有高的拉伸刚度。这使得致动器可以在施加正压力时以惊人的直径收缩。褶皱沿纵向方向排列，当外皮开始膨胀时，整个结构会发生径向短缩和展开。

正如上面提到的，通过采用合适的设计原则，可以实现充气流体致动器的所需机械性能。然而，利用体积膨胀的机制通常容易受到材料失效的影响，导致致动器的性能下降和可靠性较差。

此外由于需要体积膨胀和全向变形，它们更适用于有大空间的应用场合。真空动力的气动人工肌肉在软致动方面代表了一种有希望的机会，并解决了充气流体致动器遇到的一些问题。它们依靠真空减小体积，并且通常在运动过程中不会径向膨胀。相反，它们可以在相对较低的输入真空压力下进行线性运动，并避免了可能在整体结构的局部和全局水平上产生的应力集中。这些特性追求高可靠性，并确保高带宽，允许在快速响应中饱和到所需状态。

与充气流体致动器一样，构成材料强烈影响性能，特别是变形比。事实上，由于材料的不可压缩性，体积模量与剪切模量的比值极大，或者在泊松比接近0.5的情况下几乎是无限的。

所以只有轻微的缩短是可以实现的，直到内部壁面接触，崩塌，并且线性变形几乎不会发生。此外整体变形通常包括不希望的运动轨迹，因为结构不稳定。出于这些原因，V-PAMs需要严格的设计，要考虑到几何和/或形态学，强制要求的变形和/或负载的结构稳定性等因素。

形态学设计

软气动肌肉可以受益于具有锯齿状图案的设计，因为它们可以通过扩大变形来避免结构不稳定性从而实现剪切变形。典型的设计包括多个连续或波纹状褶皱在致动器的垂直或水平方向上排列。

褶皱表面

褶皱或波纹状表面设计包括褶皱薄膜。一个波纹代表了一个由多个连续周期排列在结构的垂直方向上的褶皱的独特结构。在原理上它的机械性能可以通过几何参数来确定。当受到伸展或压缩时，变形可以定义为正向或负向。根据EJMA1标准，每个褶皱的轴向刚度可以表示为：Pleated skin。

典型的褶皱密封膜可以创建空腔，在真空压力下产生线性运动，由于其类似于机器人肌肉致动器的形态特征。尽管据作者所知，迄今为止在文献中尚未发现利用此原理的真空动力PAMs，但预计与仅由正压操作的可缩性致动器相比，机械效益将显着。

实际上沿整个结构周围分布的褶皱允许双轴变形。它们可以被减压直到内部壁面接触。原则上，气室的可压缩性使得径向收缩成为可能，从而导致结构的纵向伸长。另一方面，气室使得整体结构在正压下展开，因为具有显著径向膨胀。

这样的双轴变形，主要是由于径向方向的变形，可能在充气或者放气过程中保持体积不变中发挥关键作用，并扩大线性位移，而不是迄今为止许多PAMs所完成的单轴变形。此外褶皱状PAM产生的张力力可以调整。从理论上讲由所施加的正压产生的张力力受到褶皱数的强烈影响，如下所示：Ft=Pk2πsin(2πk)l20f(∈,l0R)Ft=Pk2πsin2πkl02f∈l0RE4

其中，l0和R分别表示初始长度和半径。一个实现此行为的设备示例是具有沿其周围排列的耦合和并行流体通道的圆柱结构。由于径向伸缩的可调性，郝等人开发了一种无指软夹具，可以实现多种抓取模式。为了具有大的变形，此类结构应具有优化的褶皱模式，并且应使用高弹性材料制造。

折纸启发设计

折纸是一种独特的技术，灵感来自于日本的纸折叠，它可以通过沿预定义的褶皱折叠薄膜来创建。折纸中有三种相同的褶皱图案，分别是Yoshimura图案、Miura-ori图案和Kresling。

根据运动的传递方式，可以定义主动折纸或被动折纸，其中主动折纸通过嵌入式机构和/或结构本身表现出运动，而被动折纸则表现出从其他致动源导出的运动。此外可以实现支持运动或实现可编程运动。

折纸骨架结构

在折纸骨架结构中，利用锯齿状图案的结构作为由几乎不可伸缩材料制成的骨架。这些可压缩的骨架包含了受折纸或机械弹簧启发的可折叠结构。因此虽然包围骨架结构的皮肤没有形态特征，线性运动主要由可压缩的骨架实现。

更详细地说，真空压力使得薄膜囊内的体积被抽空，并在由骨架结构引导的方向上引发可控的坍塌。基于这些发现，Li等人提出了能够实现线性运动的设计原则，并通过利用对称的锯齿状几何形状来展示Fluid-driven Origami-inspired Artificial Muscles。

他们研究了基于不同设计参数的FOAMs的机械性能，并得出结论：通过利用薄锯齿状骨架可以实现最大的收缩比。例如对于厚度为0.34毫米的尼龙织物囊，该执行器在-201千牛的阻力下线性收缩50%。在更薄的聚酯材料制成的薄膜中，超轻FOAM能够产生高达3公斤力的阻力。

基于这些设计原则，Oguntosin等人开发了完全由软硅橡胶制成、没有任何刚性部件的人工肌肉。在无负载和34.5千帕的真空压力下，实现了最大的收缩应变为67%。

另一种方法是利用机械压缩弹簧。Kulasekera等人通过将低剖面弹簧封装在聚乙烯薄膜囊内，以实现纵向收缩。该研究强调执行的行为强烈依赖于低剖面弹簧的机械特性，并实现了高力量重量比。

例如LPVAc仅重14克，但能够产生65%的收缩应变和2.2千克力的阻力。同一研究团队进一步推进了这项工作。他们将由TPU涂层织物制成的密封囊体与螺旋弹簧骨架相结合。

因此整体重量降低至2克，并获得高力量重量比。最近他们提出了薄壁真空执行器，并开发了多丝执行器，使得在变形过程中能够简单地缩放执行力，同时保持执行能力。最终ThinVAc的重量仅为1克，在无负载下能够实现60%的线性收缩和5.2牛的阻力。因此实现了极高的力量重量比，达到477。

对于这些皮肤-骨架设计的研究表明，可以实现低重量和大力量重量比，引导多个研究人员进一步开发用于可穿戴应用。特别是在婴儿康复领域，Mendoza等人优化了锯齿状骨架，并展示了一种低剖面真空动力人工肌肉，能够在低真空压力下实现61%的线性收缩率，承受26.4牛的提升力。

同样LPVAc在Sit-To-Stan运动辅助方面显示出了强大的潜力。

结构不稳定性

软PAMs和V-PAMs中的机械不稳定性会导致柱子蜷曲，这在刚性结构中被视为机械故障，并导致突然且显著的几何变化。然而，在软体机器人中，结构不稳定性可以有效利用，这种方法表现出有希望的结果，实现了新的功能性。

事实上已经报道了一种弹性梁或薄膜组合物的可逆蜷曲，在多种软体机器人应用中能够发挥作用，例如可伸缩的软体电子，可调谐的超材料或执行器。更重要的是，这种结构屈曲允许立即触发内部压力、变形、形状和施加的力的大幅变化。

在这个视角下，已经展示了一种利用结构不稳定性的真空驱动执行器，可以通过梁的可逆和协同蜷曲实现轴向变形，从而实现结构的异向形状变化。例如这种真空驱动的肌肉启发的气动结构能够在纵向收缩40%的同时，水平变形只有5%。

Yang等人将这项工作扩展到开发了一种剪切真空驱动机器，能够通过将真空压力施加在其不可伸缩的侧表面上，通过倾斜的弹性梁将真空压力转换为平行于梁的力。

结论

本综述介绍了V-PAMs在实现复杂的软体机器方面的有希望潜力，实现了坚固性和故障安全操作。与充气式流体执行器相比，由于真空压力引发体积收缩，线性变形受到径向收缩的强烈影响。

因此它们的结构和几何形状可以避免在运动过程中硬化和/或应力增加，同时保证了良好的紧凑性和坚固性。特别地，由于它们的可靠性，所提出的V-PAMs显示出寿命从LSOVAs的最低21,500个周期到VAMPs的100万个周期以上的不同范围。此外，基于体积收缩的特点，V-PAMs在大型和有限空间中都适用，与只利用体积扩展的PAMs相反，后者在受限环境中无法正常工作。

然而，还有一些未解决的挑战需要解决。事实上需要在设计原则和期望的机械性能之间找到新的权衡，以实现执行器具有高功率重量比的能量效率。此外，可扩展性仍然难以实现，主要是由于平方立方定律。