本文档报道了一项原创性科学研究，属于类型a。
近日，来自首尔国立大学机械工程系、先进机器与设计研究所和工程研究所的Jiyeon Cho、Minhee Lee、Taejun Park、Howon Lee和Yong-lae Park，以及加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程项目的Yang Wang和Shengqiang Cai在《Advanced Materials》期刊上共同发表了一项题为“Bio-inspired artificial muscle-tendon complex of liquid crystal elastomer for bidirectional afferent-efferent signaling”的研究成果。该论文作为开放获取文章，已于2025年在线发表。这项研究通过模仿生物肌肉-肌腱复合体的结构与功能，成功开发出一种集成了感知与驱动功能的液晶弹性体人工肌肉，实现了类似生物系统的双向（感觉传入与运动传出）信号传递与闭环控制，为高级机器人控制系统提供了新的思路。
本研究属于软体机器人、仿生致动器和智能材料领域。在生物系统中，肌肉-肌腱复合体通过同时整合驱动和本体感觉，实现了高效、自适应的运动控制。随着物理人机交互需求的增长，开发能够安全、灵巧地融入人类环境的机器人至关重要。现有的人工肌肉，尤其是基于液晶弹性体的人工肌肉，虽然能对外部刺激产生显著的形变，但其复杂的热机械行为和粘弹性使得精确、实时的反馈控制极具挑战。以往的研究或侧重于致动，或侧重于简单的传感，难以在一个紧凑的结构内实现同时、精确地测量力和长度这两个决定材料机械状态的关键变量。因此，该研究的目的是受生物肌肉-肌腱复合体启发，构建一种集成了“物理智能”的人工肌肉单元，能够像生物系统一样，在单一结构中实现同时的驱动与全面的感知，从而为复杂材料行为的闭环控制铺平道路。
研究的核心工作流程始于一个多材料设计策略。研究团队合成了两种具有不同热机械特性的液晶弹性体：各向同性LCE和向列相LCE。向列相LCE作为“收缩性肌肉”部件，其内部液晶基元有序排列，在热刺激下能产生显著的宏观收缩；而各向同性LCE作为“弹性肌腱”部件，其液晶基元无序排列，热响应微弱，但表现出类似橡胶的高弹性和快速应变恢复能力，适用于精确的张力测量。通过光聚合交联，将这两种材料在一个化学上整体式的结构中牢固连接，模仿了生物肌肉与肌腱的连接方式。随后，利用直写成型技术，分别在两种LCE材料内部嵌入了液态金属通道。这个设计的关键在于液态金属通道的多功能性：在向列相LCE中，它作为焦耳加热器，为材料提供热刺激引发收缩；而在各向同性LCE中，它则作为传感器，通过测量其电阻变化来反映该段的拉伸。整个致动器结构紧凑、全柔性，集成了所有传感和驱动组件。
为了验证和表征该人工肌肉的性能，研究团队进行了一系列详细的材料表征和致动-传感性能测试。材料表征部分包括：通过动态力学分析和差示扫描量热法评估了三种LCE（多畴向列相、单畴向列相、各向同性）的热机械特性，确认了各向同性LCE具有稳定的橡胶平台模量和无相变特征，而向列相LCE则表现出明显的相变和热致收缩能力。通过蠕变恢复和应力松弛实验，定量比较了不同LCE的粘弹性，结果表明各向同性LCE具有最快的瞬时应变恢复和最小的残余应变，印证了其作为弹性肌腱的优越性。这些结果为后续的功能分离设计提供了坚实的材料学基础。
在致动与传感性能测试部分，研究者巧妙地设置了三种仿生收缩条件，以模拟肌肉在实际工作中的不同状态，并全面评估其集成传感的准确性。首先是等长收缩测试，即固定致动器两端，测量其在加热收缩时产生的力。实验表明，各向同性LCE内的液态金属传感器信号与真实测量的张力高度一致，并且该关系可以用基于不可压缩液体假设和Neo-Hookean超弹性模型推导出的公式进行精确描述。通过在不同加热功率下的测试，该传感器模型表现出了良好的通用性和准确性。其次是等张收缩测试，即在致动器一端悬挂恒定重物，测量其在加热时的长度变化。此时，向列相LCE段发生收缩，而各向同性LCE段由于负载恒定，长度几乎不变。通过结合两个液态金属通道的传感器信号，可以线性组合出整个致动器的总伸长比，该估计值与真实测量值高度吻合。最后是增力收缩测试，即致动器末端连接不同刚度的弹簧，模拟更普遍的负载条件。在这种更为复杂的情况下，力与伸长同时变化，仅靠单一传感器信号无法准确推断机械状态。研究团队展示了他们集成的双传感系统能够同时、解耦地提供力和伸长信息。通过对传感器信号进行校准和建模（在线性组合模型中引入了一个与未加热覆盖区域相关的修正项），即使在多种弹簧刚度条件下，也能实现对力和伸长的可靠估计。这些结果共同证明，该人工肌肉系统能够在各种负载条件下，像生物肌肉-肌腱复合体一样，通过“传入”信号（力、伸长感知）实时获取自身的完整机械状态。
基于成功的传感校准，研究团队进一步实现了该人工肌肉的闭环控制。为了克服LCE致动器因自然对流冷却而导致的回伸过程慢、可控性差的问题，他们模仿了生物肌肉的拮抗对结构，将两个LCE人工肌肉以串联方式配置。当一个肌肉主动收缩时，另一个肌肉可以被控制以辅助另一个的伸长。实验表明，这种拮抗配置显著提升了系统对伸长轨迹和力轨迹的跟踪能力，能够实现对方波、正弦波和斜坡波等不同目标轨迹的跟踪，尽管在轨迹发生突变时仍存在由材料响应时间限制引起的滞后误差。在整个控制过程中，集成的传感器持续监测内部张力，防止过载，实现了同时的伸长控制和力监控。
为了展示其应用潜力，研究团队进行了两项演示。第一项是机器人手指的反馈控制。两个拮抗的LCE人工肌肉被用来驱动一个机器人手指关节，模拟屈肌和伸肌。系统成功实现了对关节角度的闭环位置控制。更重要的是，该手指能够在接触物体时，仅凭LCE肌肉内部的传感器信号变化（斜率的变化）来检测接触点，并区分不同刚度（软硅胶和硬硅胶）的物体。此外，研究还演示了对移动目标保持恒定接触力的高级控制能力。第二项演示是应用于机器人夹持器。一个由两个柔性手指组成的夹持器被安装在机械臂上，通过LCE人工肌肉驱动。夹持器能够自动调整张开角度以适应不同尺寸的球体，并在抓握过程中，根据传感器信号特征区分球体的刚度或尺寸，进而指挥机械臂将不同特性的物体分类放置到不同的目标位置。这些演示充分展现了该人工肌肉在无需额外传感器的情况下，实现自适应交互、物体属性识别和复杂任务闭环执行的巨大潜力。
研究的结论是，成功开发出了一种受生物肌肉-肌腱复合体启发的、具有双向传入-传出信号能力的液晶弹性体人工肌肉。该肌肉通过多材料设计和多功能液态金属通道，将驱动和感知高效集成于单一、紧凑的柔性结构中，实现了所谓的“嵌入式物理智能”。其科学价值在于为具有复杂非线性、时变材料行为的软致动器提供了实现精确、实时闭环反馈控制的有效范式。应用价值则体现在为需要安全、自适应物理交互的先进机器人系统，如人机协作机器人、医疗康复设备和灵巧抓持器，提供了新型的、智能化的致动器解决方案。尽管当前设计在快速冷却和极端轨迹跟踪方面仍存在局限，但这项工作为未来开发更快速响应、更高性能的嵌入式智能软体致动器指明了方向。
本研究的亮点在于其高度的仿生集成性与创新性。首先，研究团队创造性地将生物肌肉-肌腱复合体的功能分离原则应用于人工肌肉设计，利用各向同性LCE和向列相LCE的固有特性差异，分别实现了高弹性张力传感和高收缩性驱动，从而在材料层面实现了功能的解耦与协同。其次，研究充分利用了液态金属通道的双重功能（加热与传感），构建了全柔性、一体化的“感知-驱动”单元，避免了传统方案中需要外接笨重传感器的问题，显著提升了系统的紧凑性和顺应性。再者，通过引入拮抗肌肉对的仿生控制架构，有效弥补了热致动材料在冷却阶段响应慢的固有缺陷，大大增强了系统的整体可控性。最后，研究不仅停留在实验室表征，还通过机器人手指和夹持器两个生动的应用演示，全面展示了该系统在复杂、动态的物理交互任务中的实际效能，特别是其仅凭内部传感信号即可识别物体属性的能力，为未来机器人的环境感知与自主决策提供了新颖的硬件基础。