基于《Adv. Mater.》2020年进展报告：交互式软机器人中人造肌肉的最新进展

本篇报告旨在向广大研究者介绍由香港中文大学（深圳）的王江新教授与南洋理工大学的Dace Gao、Pooi See Lee教授团队于2020年在材料科学领域顶级期刊《Advanced Materials》（《先进材料》）上发表的题为“Recent Progress in Artificial Muscles for Interactive Soft Robotics”（《用于交互式软机器人的人造肌肉最新进展》）的进展报告（Progress Report）。该报告系统性地综述了人造肌肉技术的最新发展，并着重探讨了将其与柔性电子器件集成以实现智能化、交互式软机器人系统的前沿趋势。

报告的核心主题与框架 报告的核心主题围绕如何模仿并超越自然肌肉的功能，以驱动新一代软机器人。自然肌肉具有高应力（≈0.35 MPa）、高应变（>20%）、高功率密度（323 W kg⁻¹）、优异的循环稳定性以及高效利用生物能源（≈40%）等优点。传统基于电磁马达的刚性驱动器虽输出强大，但难以实现灵巧的形状变化、轻量化及小型化。因此，发展具有类似肌肉性能的软体致动器（人造肌肉）是软机器人领域的核心目标。报告不仅总结了各类人造肌肉在特定性能上已超越自然肌肉的成就，更前瞻性地指出当前研究正从单纯追求机械性能，转向将人造肌肉与感知、响应等柔性电子功能器件集成，以赋予软机器人系统“机械智能”。

报告结构清晰，首先概述了人造肌肉的重要性与发展目标，随后根据驱动能量的耦合方式，将人造肌肉分为两大类进行深入评述：有线供能的人造肌肉和无线供能的人造肌肉。最后，报告花了大量篇幅阐述将功能器件（传感与响应）与人造肌肉集成的最新策略与成果，并展望了未来发展方向。

报告的主要论点与论据

论点一：有线供能的人造肌肉在特定应用场景中展现出卓越的机械输出和高效能，是当前商业化应用的主力，但仍面临高电压、笨重外围设备等挑战。 报告详细评述了四类主要的有线供能人造肌肉技术，并列举了各自的最新突破与现存挑战： 1. 介电弹性体致动器：其工作原理是麦克斯韦应力（p = εE²）。优势在于结构简单、响应快、应变大（>300%）。当前研究重点在于降低工作电压（通常在千伏级）、实现复杂可编程的3D形状变形。例如，通过堆叠多层结构、设计特定电极图案，或引入可折叠的乙基纤维素纸，可以实现具有正/负高斯曲率的复杂形变，甚至可重构的形变行为。最具突破性的进展之一是Keplinger团队开发的液压放大自愈静电致动器，它使用液态电介质，将静电压力转化为液压，实现了类肌肉的强力输出（如提起4公斤水），并具有电击穿后自愈的能力。 2. 电流体动力与电空气动力致动器：利用高电压在流体或气体介质中诱导离子运动产生推力。其优势在于无活动部件、静音。Shea团队开发了可拉伸的电流体动力泵，实现了50%的拉伸性，其比压力和比流速可与商用压缩机媲美。电空气动力推进系统则被用于固态推进，其推力-功率比（5 N kW⁻¹）已接近喷气发动机水平，为微型软体飞行机器人提供了“飞行肌肉”的潜力。 3. 电化学致动器：工作电压低（通常<10 V），基于离子在电极/电解质界面的可逆迁移（双电层形成、离子嵌入/脱嵌等）。代表性的是离子聚合物-金属复合材料。当前研究前沿是采用新型纳米材料（如石墨炔、二硫化钼、MXene）作为电极，这些材料在电化学过程中能产生显著的结构响应，从而提升致动器的效率和响应速度。例如，石墨炔致动器的机电效率可达≈6%，响应频率达0.1-30 Hz。 4. 流体弹性体致动器：通过外部加压流体（气动或液压）驱动弹性腔体变形。其优势是原理简单、输出力大、结构顺应性好。研究焦点在于通过材料（如使用不同杨氏模量的材料组合）或结构（如设计不对称气道、嵌入图案化纤维网）设计，实现可控、可编程的复杂3D形变。例如，通过激光切割在硅橡胶中嵌入特定图案的纤维网，可以精确控制膜片的高斯曲率，从而模仿出天然石头的纹理。主要挑战在于需要笨重的压缩系统或储罐，但已有研究通过集成相变材料或利用感应加热产生内部压力来尝试解决此问题。

论点二：无线供能的人造肌肉为软体机器人在复杂、非结构化环境（尤其是生物医学领域）中的高机动性操作提供了独特优势。 报告重点介绍了两类无线驱动方式： 1. 磁致动器：其扭矩 τ = M × B。核心研究在于如何在软磁性复合材料（磁性颗粒分散在弹性聚合物基体中）中创建可编程的磁化分布。通过控制磁化梯度，可以实现复杂的形状变形和多模态运动（如游泳、爬行、跳跃、行走）。例如，通过将材料在均匀磁场中缠绕在圆柱上进行磁化，可以产生单谐波磁化轮廓，从而在时变磁场下实现多种运动模式。更先进的方法包括在3D打印过程中直接对墨水进行磁化编程，或使用具有不同开关场的纳米磁体实现磁化轮廓的重构。这为微型医疗机器人在体内的靶向操作提供了可能。 2. 热致动聚合物：基于热膨胀、相变等效应。一个革命性的进展是将聚合物纤维（如尼龙6/6）高度扭曲并盘绕，可以将材料固有的小热应变（4%）放大为巨大的线性收缩（34%），从而实现惊人的比功率输出（27.1 kW kg⁻¹，是自然肌肉的84倍）。这种盘绕纤维结构还可以通过冷拉双材料（如高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体）来制备，实现低温差（14°C）下的显著收缩。此外，利用形状记忆聚合物的热机械编程，也能实现高效的盘绕-解缠驱动。

论点三：将柔性功能电子器件与人造肌肉集成，是实现智能交互式软机器人系统的关键，这赋予了系统类似于生物体的感知与响应能力。 这是报告最具前瞻性的部分，强调了人造肌肉正从一个被动的变形平台，转变为主动感知和交互的智能系统核心。 1. 与传感集成：目标是赋予机器人外感知能力（如应变、压力、温度）。有两种主要策略：一是挖掘致动器本身的自感知特性，例如介电弹性体致动器本身是一个可变电容器，其电容变化可反映形变，从而实现驱动与传感一体化；二是系统集成独立的柔性传感器，如将离子导电凝胶传感器嵌入气动致动器，使其能感知抓握动作和物体温度，或将可拉伸光波导集成到假手中，通过光功率损耗来检测形变，感知物体形状和软硬度。 2. 与响应集成：目标是实现与用户或环境的有效通信，模仿生物的色彩和声音交流。报告重点介绍了色彩变化和声音输出两种方式： * 色彩变化：包括发射型（如可拉伸电致发光器件）和非发射型（如电致变色、机械致变色器件）。例如，王江新团队将交流电致发光器件与介电弹性体致动器集成，实现了可同时变形和变色的“自变形发光器件”。Shepherd团队则将基于离子导体的高度可拉伸电致发光皮肤集成到气动致动器表面，实现了动态形状与颜色的协同变化。在非发射型方面，将机械致变色材料（如嵌入聚二甲基硅氧烷中的二氧化硅微球）与致动器结合，可以利用致动器自身的应变来改变材料结构色，直观显示驱动状态。 * 声音输出：高频机械振动即可产生声音。静电扬声器由于其结构易于实现柔性化，成为集成首选。例如，Kim等人通过在同一介电弹性体致动器上施加叠加了直流偏置（用于低频形变）和交流信号（用于高频发声）的复合电信号，实现了单个器件同时产生合成致动和音频输出的双功能。

报告的结论、意义与价值 报告在结论部分对各类型人造肌肉的技术现状、挑战和未来方向进行了精炼总结。静电致动器需解决高压安全问题与高效控制电路；电化学致动器需提升响应速度与循环稳定性；流体致动器致力于摆脱笨重外围；无线磁致动器和热致动聚合物则在机动性与功率输出上展现出巨大应用潜力。

本进展报告的核心价值与意义在于： 1. 系统性总结与前瞻指引：它不仅全面梳理了近年来人造肌肉在材料、结构和驱动原理上的重大突破，更重要的是清晰指出了领域从“单一驱动”向“驱动-感知-响应一体化”发展的必然趋势，为后续研究提供了明确的方向和灵感。 2. 跨学科融合的典范：报告深刻体现了材料科学、机械工程、电子工程和机器人学的交叉融合。成功的人造肌肉系统，尤其是智能交互式系统，依赖于高性能软材料、精巧的结构设计、低功耗驱动控制以及高可靠性柔性电子器件的协同创新。 3. 应用导向明确：报告始终围绕实际应用展开讨论，指出了不同类型人造肌肉在工业协作机器人、人机交互界面、假肢设备、生物医学微型机器人、轻型飞行器等领域的巨大应用潜力，体现了从基础研究到技术转化的清晰路径。 4. 启发创新思维：报告中列举的诸多策略，如利用结构设计放大材料本征性能（盘绕纤维）、通过编程实现复杂功能（磁化图案、气道设计）、挖掘器件自身多物理场特性实现多功能集成（自感知、自发声），都为解决软机器人领域的共性难题提供了宝贵的方法论借鉴。

这篇进展报告是一份关于人造肌肉与交互式软机器人领域的权威性、综合性文献。它既是对过去成就的精彩盘点，也是对未来变革的深远展望，对于所有从事相关领域的研究人员和工程师而言，都具有极高的参考价值和启发意义。