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文|青玥星蔓

编辑|青玥星蔓

前言

人类和动物能够实现灵活高效的运动，因为肌肉可以根据其固有的机械特性在不同模式下运作。

对于仿生机器人和假肢来说，拥有类似肌肉特性的人工执行器是非常理想的，要在单个执行器中同时实现固有的肌肉样力速和力长度特性仍然是一个挑战。

一种仿生软性执行器，命名为HimiSK，通过在类似骨骼肌的柔性基质中空间排列一组协同收缩单元来设计。

该执行器呈现出与生物肌肉非常接近的固有力速和力长度特性，具有内在的自稳定性和对外部干扰的鲁棒性。

这些出色的特性源于仿生结构和柔性基质材料的自适应变形，其可以自动适应各种不同的机械任务，无需依赖传感器和控制器。

骨骼肌是一种强大、灵活且多功能的执行器，人类和动物能够实现灵活、适应性和高效的运动。

因为肌肉可以根据其固有的机械特性和形态结构在不同模式下运作，在过去的二十年里，已经开发了各种执行器技术。

利用在热、电、化学或光刺激下改变尺寸的材料来模仿骨骼肌，这些研究大多集中在增加执行器的输出应变、应力或功率密度方面，而很少有研究旨在构建具有肌肉样机械特性的执行器。

骨骼肌的收缩机制已在众多肌肉实验中进行了测量和记录，为了解释结果，现象学模型描述了肌肉力的力速和力长度依赖性。

对于力速关系，他发现肌肉力以双曲线形式随肌肉缩短速度增加而减小，这在低负载时有利于速度输出，在高负载下有利于力输出。

在等长收缩期间，肌肉力与肌肉长度呈抛物线力长度关系，最大等长力在休息长度时产生。

力速和力长度关系是骨骼肌的出色固有特性，力速关系在稳定人类手臂运动、人类周期性跳跃以及爆发性跳跃方面发挥关键作用。

已经显示出力速和力长度关系在动物遇到意外干扰或在运动过程中需要快速调整时，提供了肌肉力量和工作的固有反馈控制。

从机器人和假肢的角度来看，拥有类似固有特性的人工执行器将是理想的，麦克基本气动人工肌肉是在20世纪50年代为肢体康复而开发的。

可能是构建生物力学逼真的执行器的首次尝试，在被加压时，麦克基本肌肉由于各向异性膨胀而轴向收缩，类似于骨骼肌。

与生物肌肉不同，它通常呈现凹形抛物线力长度关系，而不是凸形，也不能被拉伸超过休息长度。

其力速关系与肌肉不同，在缩短速度增加时力不会减小，利用硅橡胶制造了一个微型麦克基本执行器。

其长度约为20毫米，外径约为1.0毫米，施加0.6兆帕的气压，输出力约为234毫牛顿，应变约为10.5%，随后制造了一个薄的麦克基本肌肉，可以根据肌肉形状形成多丝束执行器。

多丝束执行器的输出力与薄麦克基本肌肉的数量成比例增加，其最大收缩应力约为0.30兆帕，最大收缩比为25-30%。

所提出的肌肉骨骼机器人通过使用这些多丝束执行器实现类似人类的运动，他们都实现了微型麦克基本执行器的基础研究。

然而并未报道固有的机械特性，为了开发更具肌肉样执行器，构建了一个机械系统，其中两个独立的液压阻尼器与柔性气动肌肉并行作用。

类似肌肉的抛物线力速，力长度特性与麦克基本肌肉保持一致，提出了一种新型的受直线纤维束约束的气动人工肌肉。

这种设计简单的执行器显示出与人类肌肉类似的力速特性，但不能超出休息长度，开发了一个成功复制肌肉样双曲线力速依赖性的机械平台。

该系统由两个直流电机、两个编码器和一个弹簧组成，而不是单一的执行器，提出了一种编织套管流体人工肌肉，作为麦克基本肌肉的替代方案。

它显示出与骨骼肌相似的凸形抛物线力长度关系，并且可以超过休息长度进行拉伸，力速特性没有报道。

在单个执行器中同时实现肌肉的力速和力长度特性仍然是一个挑战，研究提出了一种新型的HimiSK执行器。

由许多协同驱动的肌肉纤维单元在类似骨骼肌的柔性基质中空间排列而成，首先通过使用多步骤制造过程实现了一组简单的平行四边形形状的HimiSK。

通过变化MFU的排列和基质，可以实现类似肌肉的力速特性，这归因于嵌入柔性基质中的特殊排列的MFU提供的可变齿轮机制。

开发了数值模拟这些执行器的方法，可以洞察MFU运动和基质形状的变化如何调节不同负载下的速度输出。

为了展示这种新型HimiSK执行器的能力，提出了一个高度拟人化执行器的具体案例研究，模仿了人类股膜半腱肌的三维肌纤维排列和形态。

在不同的激活水平下，该股膜半腱肌HimiSK执行器同时实现了类似肌肉的力速和力长度关系。

对机器人手臂进行的冲击干扰实验表明，与麦克基本执行器相比，股膜半腱肌HimiSK执行器由于其固有的肌肉样机械特性而具有出色的自稳定能力。

这类可编程的、由肌纤维执行的执行器在仿生机器人、主动假肢、外骨骼或康复机器人等领域具有广泛的应用潜力。

生物启发和软性执行器设计策略 骨骼肌被视为典型的软性执行器，因为它可以具有出色的固有机械特性产生快速而强大的作动能力。

用传统机器人系统模仿这种生物执行器是具有挑战性的，通常涉及复杂的机制和多个执行器。

即使可以使用先进的控制方法调节机器人系统的输出，要达到类似生物执行器的特性仍然很难。

如果从骨骼肌中获得灵感，通过将许多简单的肌肉纤维有序地排列在软性结缔组织中，协同驱动，可以实现软性肌肉结构的强大作动。

斜肌肉中的纤维与肌肉的作用线呈一定角度，在低负载收缩期间，肌肉收缩导致斜角和肌肉厚度增加，从而导致大量的肌肉缩短，从而有利于肌肉的速度输出。

在高负载收缩期间，肌肉厚度的减少抵消了斜角的变化，导致肌肉缩短较少，有利于肌肉力量的产生。

这种可变齿轮机制将有助于再现生物肌肉的固有力速关系，受骨骼肌的结构和生物力学的启发，设计了一类新型的HimiSK执行器。

其中包括许多简单的收缩单元，在柔性基质中类似于骨骼肌中的肌纤维排列，其工作原理是当液体进入腔体时，收缩单元收缩，驱动柔性基质产生形态变化。

收缩单元的制造 选择了McKibben气动肌肉作为这类HimiSK执行器的收缩单元。

这是因为McKibben肌肉在轴向收缩的同时伴随着径向膨胀，就像肌纤维一样，而且它们可以制造成完全柔软，并且可以轻松集成到柔性材料基质中。

制造的MFUs的轴向收缩和径向膨胀是根据输入压力的函数进行表征和绘制的。

可以看到，在低压下由于内部弹性体管的低弹性模量，发生了大量的收缩/膨胀，这些柔软的低阈值压力MFUs是使用类似于使用的多步模压工艺制造的。

对于每个MFU，通过将预制弹性体浇注到3D打印的模具中，并在固化时用烧瓶密封两端，形成内部弹性体管。

一个气体供应管被固定在内部弹性体管内部，通过管道接头固定，并通过浇注弹性体密封，每个内部弹性体管都被包裹在尼龙网中，一端由尼龙束带固定，另一端通过加热烧结，形成最终的MFU。

在浇注执行器之前，需要检查每个MFU的密封性能，这确保了在高压下应用执行器时的安全性和可靠性。

执行器的故障主要是由于气体压力超过材料承受的最大压力能力而导致MFU破裂，在添加柔性基质之前，需要测试MFUs的最大压力，以确保应用于执行器的压力小于MFUs的最大压力。

平行四边形形状执行器的制造 基于McKibben肌肉的MFUs的局限性在于它们的输出力不会随着收缩速度的增加而减少。

这与生物肌肉的力速关系有很大的不同，如果将MFUs按照肌肉结构在柔性基质中空间排列，类似于肌纤维等单个收缩元素，可能会实现肌肉类似的综合性能。

为了了解由嵌入弹性基质中的MFUs构成的复合材料系统的行为，制造了一些具有不同MFUs和基质配置的简单平行四边形形状的执行器。

平行四边形模具包括直径为4毫米的侧孔，用于支撑气体供应管，在浇注执行器之前，基于预定义的斜角排列，将MFU阵列和供应线放入模具中，然后将预制的弹性体浇注到模具中。

最终的柔性基质在室温下固化；PA30-Matrix执行器的体积为0.0001785立方米，更多制造细节在STAR Methods中有描述。

最终，制造了三个由五个MFUs组成的平行四边形形状的HimiSK执行器，这些包括柔性基质下的0°和30°斜角排列，以及没有基质的30°斜角配置。

这使能够研究MFU斜角和柔性基质对执行器性能的影响，而不考虑复杂的MFU结构和基质形态在三维空间中的情况。

当施加气压时，MFUs收缩，驱动柔性基质产生形态变化，从而实现线性收缩和力输出，直接包裹在MFUs周围的柔性基质将防止MFUs被拉伸，由硅橡胶制成的柔性基质具有良好的柔韧性，高弹性和较强的抗拉强度特性。

在高负荷下收缩时，它可以承受反复的拉伸，MFU排列和柔性基质的影响 为了表征执行器的力速特性，使用定制的测试装置对这三个执行器进行了测试。

为了启动软性执行器的动态收缩，打开一个阀门，允许所有MFUs同时充气，执行器收缩并举起负载，直到它最大限度地缩短，此时从所有MFUs释放空气。

在五个气压下对执行器进行了测试，并确定了每个压力下执行器能够举起的最大负载F0，执行器与从0到100% F0不同的6个负载作用，每次增加20% F0，每个负载在每个压力下重复测试六次。

对于每个试验，获得了四个变量，包括MFU的缩短速度、执行器的缩短速度、斜角和执行器的厚度。

更多关于实验测试和数据分析的细节在STAR Methods中有描述，对于所有三个执行器，在几乎所有收缩过程中。

MFU的缩短速度在负载增加时没有特别变化，这与之前在McKibben气动肌肉上的实验结果一致。

然而，从图3G-3I可以看出，执行器的缩短速度显示出明显不同的趋势，缩短速度明显降低，随着负载的增加而降低，类似于骨骼肌。

执行器的缩短速度超过了MFU的缩短速度，这表明存在一个固有的齿轮机制，用于放大输出速度。

可以定量地表示为整个执行器速度与MFU收缩速度之比，类似于描述肌肉结构齿轮比的关系。

计算得出的AGR显示，随着不同压力下的收缩负载增加，AGR呈显着下降的趋势，这种可变齿轮机制类似于斜肌肉中观察到的现象。

与骨骼肌类似，具有可变齿轮机制的平行四边形形状的HimiSK执行器，在快速收缩时从高AGR转变为强力收缩时的低AGR。

测得的斜角和执行器厚度显示，在所有收缩过程中，所有三个执行器的负载依赖模式都呈下降趋势。

这与AGR的负载依赖模式高度吻合，表明可变齿轮机制的结果是由MFU的斜肌排列和柔性基质的形态变化引起的，类似于骨骼肌。

为了更好地理解MFU排列和柔性基质的影响，比较了三个执行器在0.20兆帕气压下的负载依赖性，包括斜角、执行器厚度、AGR和力速关系。

当MFUs不嵌入柔性基质时，斜角随负载增加而迅速减小，这可能是因为柔性基质可以通过界面压力约束MFUs的旋转。

在负载增加时，所有三个执行器的执行器厚度都呈现出类似的下降斜率，PA30-Matrix的AGR在所有三个执行器中呈现出最大的工作范围。

它在所有执行器中的零负载下操作的齿轮比最高，为2.99，表明相对于MFU速度，执行器速度放大了199%。

相反当对抗最大负载时，它在所有执行器中操作的齿轮比最低，为0.10，相当于速度减小了90%。

PA0-Matrix显示出较小的齿轮范围，而PA30-NoMatrix呈现出最小的工作范围，这表明MFU的结构和柔性基质都对可变齿轮机制有重大影响。

而似乎配置在斜面上的执行器的贡献略大于柔性基质的贡献，这在三个执行器的力速关系中得到了很好的反映。

结论

与PA0-Matrix、PA30-NoMatrix执行器相比，PA30-Matrix呈现出最类似肌肉的负载依赖速度特性，能够在强力收缩时产生巨大的力量，并在快速收缩时获得大的速度。

这些结果表明，当MFUs嵌入柔性基质中，并采用斜纹排列，平行四边形HimiSK执行器可以呈现出类似肌肉的力速特性。

这是由于可变齿轮机制造成的，这种机制是自动的，由于从执行器材料和结构中产生的内在力学行为。

这种内在特性使得执行器能够迅速响应机械负载条件的变化，而无需传感信息或反馈控制。