本研究由来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）工程学院生物医学工程研究生院的 Phuoc Thien Phan、Mai Thanh Thai、Trung Thien Hoang、Nigel Hamilton Lovell（IEEE Fellow）和 Thanh Nho Do（IEEE Member）共同完成，通讯作者为 Thanh Nho Do。该论文于2020年11月22日投稿，2020年12月17日被接收，2020年12月21日在线发表，2020年12月31日收录于当前卷期，发表于 IEEE Access 期刊（卷8），DOI 为 10.1109/ACCESS.2020.3046163。
软体人工肌肉（Soft Artificial Muscles, SAMs）在触觉学、机器人学和医学等领域的应用日益广泛，迫切需要一种具有高柔顺性、易于制造且性能接近人类肌肉的软体驱动器。现有软体驱动器按其激励源可分为电驱动、磁驱动、热驱动和流体驱动等类型，但各有其固有缺陷：电活性聚合物需要数千伏高压，存在安全隐患；离子聚合物-金属复合材料响应慢、寿命短；磁驱动驱动器驱动力弱且需庞大外磁场源；形状记忆材料存在响应速度慢、滞后大和能量效率低的问题。流体驱动的软体驱动器，尤其是McKibben肌肉及其改进型，虽然具有高应变、高应力和高能量效率等优势，但传统纤维增强型软体驱动器的制造依赖复杂的手工缠绕工艺，难以实现微型化和高长径比（aspect ratio）的量产。此外，在软体外骨骼和柔性手术机器人中广泛使用的腱驱动机构（tendon-driven mechanisms）虽具备体积小、重量轻的特点，但腱鞘机构（tendon-sheath mechanism）固有的非线性摩擦和回程间隙（backlash hysteresis）导致严重的力损失和能量损耗，尤其在长距离、多弯曲路径中问题更为突出。基于上述背景，本研究旨在开发一种具有高长径比、可规模化量产、高响应速度和高能量效率的软液压丝状人工肌肉（Hydraulic Filament Artificial Muscle, HFAM），并探索其作为腱驱动替代方案在柔性可穿戴设备和手术机器人中的潜力。
HFAM由两个核心部件组成：内部软微管（soft microtubule）和外部螺旋线圈（helical coil）。软微管可采用Ecoflex™ 00-30硅橡胶、NuSil™硅弹性体或乳胶橡胶（latex rubber）制成，制造方法包括模具浇铸法和旋转涂覆法。螺旋线圈可由不锈钢丝、黄铜丝、钓鱼线（PVDF）或缝纫线等不可伸展材料制成，通过绕线机将线材缠绕在芯轴上形成螺旋结构，再经热处理消除应力以稳定线圈形状。HFAM的组装采用插入法（insertion method）：将软微管直接插入中空的螺旋约束线圈中，一端打结并用粘合剂固定，另一端连接流体传输管。该方法避免了传统纤维增强驱动器沿肌肉长度手工均匀缠绕纤维的复杂工艺，使得制造微型、米级长度、直径从数百微米到数毫米的肌肉成为可能。研究团队制造了多个不同尺寸和材料组合的原型，其中最为突出的是一个外径0.8 mm、长度4 m的微型HFAM，长径比达到5000:1，远高于文献中已有的流体驱动软体肌肉。
HFAM的工作机理为：当流体压力施加于内部微管通道时，由于外层螺旋线圈抑制了微管的径向膨胀，肌肉沿轴向伸长并储存弹性势能（elastic potential energy, EPE）；当压力释放时，储存的弹性势能转化为收缩力输出到负载。HFAM可作为腱-滑轮机构（tendon-pulley mechanism）或腱鞘机构（tendon-sheath mechanism）的替代方案，以流体为介质的驱动方式使其外部动力源可远距离布置而不损失输入能量。研究团队在五个假设条件下（准静水力学行为、压力均匀分布、线圈完全约束径向变形、线圈与微管同步伸长且无摩擦、泊松比0.5）建立了HFAM的力学解析模型，定义了拉伸比（stretch ratio）α = lt/li 作为调节肌肉输出力的关键参数，并推导出输出力公式 fout = αEAtε + kcx − pAp。该模型表明HFAM的收缩力由微管弹力、螺旋线圈弹力和流体驱动力三部分共同贡献，其中螺旋线圈的弹性力分量是区别于现有软体驱动器的独特特征，而拉伸比α的引入使得制造时可通过调整初始尺寸来调谐输出力阈值，无需更换材料。
研究团队构建了一套模块化测试平台，包括直流电机、放大器、压力传感器、微型注射器、线性滚珠丝杠、编码器、力传感器和实时控制器。该平台可产生高达2 MPa的输入压力，肌肉一端连接注射器，另一端连接编码器（采集伸长位移）或力传感器（采集收缩力），通过细长高弹力绳保持肌肉无松弛状态。
随后进行了多项系统性实验：伸长与力特性测试（采用80 mm长的HFAM1，施加0.1 Hz正弦信号，建立输入体积/压力与输出伸长/力之间的关系）；模型验证实验（使用30 mm、50 mm和80 mm三种长度的HFAM1，逐步增大伸长率从0%到150%，记录各伸长率下的最大收缩力）；频率响应测试（使用50 mm长的HFAM2，施加0.2 Hz至20 Hz的正弦啁啾信号，幅值为5%伸长率，用激光传感器监测末端位移）；耐久性与伸长极限测试（在0.1 Hz频率下持续运行2000秒，并逐步增大振幅直至肌肉失效）；举重性能与能量效率测试（50 mm长的HFAM1和HFAM2分别举升100 g和500 g负载，测量输入机械功率与输出机械功率之比）；以及通过改变拉伸比α（0.63与1）验证输出力调谐能力。此外，还进行了HFAM模拟腱驱动机构的性能测试：HFAM型腱-滑轮机构测试使用400 mm长的HFAM2，在累积弯曲角（accumulative bending angle）θ为π、1.5π和2π三种构型下举升200 g负载；HFAM型腱鞘机构测试使用100 mm长的HFAM1穿过2 m长的塑料空心管，在累积弯曲角为3.5π、5.5π和7.5π三种构型下举升50 g负载，比较不同路径构型下的能量效率。
在上述实验基础上，研究团队开发了一款HFAM驱动的软体外骨骼手套。手套采用商用尼龙织物手套为基础，将不锈钢驱动腱（直径0.5 mm，带特氟龙涂层）沿手指掌侧和背侧布线，通过微型不锈钢线圈节点和短护套引导，掌侧腱控制手指屈曲，背侧腱控制伸展。四根HFAM2肌肉分别驱动食指/中指（两根联合控制屈曲和伸展）和拇指（两根分别控制），肌肉近端固定于前臂肘部附近的绑带，远端通过不锈钢线圈护套与驱动腱连接。驱动系统由直流电机、滚珠丝杠和微型注射器组成，采用开环控制方案，将每根肌肉所需行程映射至对应注射器的输入体积。实验由一名健康受试者佩戴手套，在自由空间中进行抓握姿态测试，并对苹果、柠檬、500 g砝码和玻璃烧杯等多种不同形状和尺寸的物体进行了抓握与举升实验。
伸长与力特性实验显示，80 mm长的HFAM1在注入0.125 mL流体（对应1.32 MPa压力）时达到约81.4%的伸长。体积-伸长关系中增压和释放曲线几乎重合，体现了水的不可压缩性；压力-伸长关系则呈现较宽的滞后环。在86.3%伸长率下，HFAM1产生了1.08 N的收缩力，力-体积和力-压力的滞后环相对较窄，力与压力之间在增压和释放阶段均近似线性。
模型验证实验表明，三种长度（30 mm、50 mm、80 mm）的HFAM1收缩力在100%应变以内随伸长率近似线性增长，之后呈指数级增长，三种长度的力-伸长曲线基本重合。解析模型在100%应变以内与实验数据吻合良好，但在更高应变下出现偏差，原因在于模型中假设杨氏模量为常值（取100%应变时的值），而实际材料在更高应变下杨氏模量显著增大。
频率响应测试显示，HFAM的幅值损失在3 Hz处为−0.95 dB，之后以约−0.039 dB/Hz的速率线性下降；在10 Hz和20 Hz时幅值分别损失12.4%和16.9%。实验系统无法产生超过20 Hz的输入信号，因此未能测出典型的−3 dB截止频率，但结果表明HFAM对高频输入具有良好的响应能力。
耐久性测试结果表明，2000秒运行后伸长信号收缩仅1.9%（从81.36%降至79.82%），力信号收缩11.9%（从0.957 N降至0.843 N）。力信号收缩率更大的原因在于力测试中肌肉始终维持恒定伸长率，材料疲劳积累更加显著。伸长极限测试显示HFAM1在最后一次完整循环中达到224%伸长率并成功恢复，最大伸长极限为246.8%±8%（10次试验），在9/10次失效中失效点位于流体传输管与软微管的连接处，表明若采用更强粘合剂可获得更高的极限伸长。HFAM2的最大伸长为102%±6%。
举重实验显示，重0.28 g的50 mm长HFAM1能够举升100 g负载（约为其自身重量的357倍），行程64 mm（95.5%伸长率）；重1.42 g的HFAM2能够举升500 g负载（352倍），行程42 mm。能量效率计算结果为HFAM1达46%，HFAM2达62.7%。拉伸比调谐实验显示，α=0.63的HFAM因杨氏模量增大而表现出更强的保持力（相同负载下伸长更小），而α=1的HFAM弹性势能较弱，伸长更大，验证了通过拉伸比调节输出力的可行性。
HFAM型腱-滑轮机构测试结果表明，在π、1.5π和2π三种累积弯曲角构型下，能量效率均约为29%，后两者仅分别比π构型下降0.33%和0.75%。HFAM型腱鞘机构测试中，3.5π和5.5π构型的能量效率均为约83%，7.5π构型仅略降至82%。这些结果证明HFAM驱动的腱机构在路径弯曲程度大幅变化时能量损失极小，远超传统腱滑轮和腱鞘机构在多回路、长路径应用中的表现。
软体外骨骼手套实验表明，四根HFAM2肌肉通过开环控制能够同时驱动食指、中指和拇指完成屈曲和伸展，实现自由空间中的多种抓握姿态，以及对不同形状物体（苹果、柠檬、500 g砝码、玻璃烧杯）的稳固抓取和举升，且抓握与释放响应迅速。
本研究成功开发了一种新型软液压丝状人工肌肉HFAM，其制造方法简单、可规模化量产，具有高长径比（5000:1）、高伸长率（246.8%）、高能量效率（62.7%）和快速频率响应等性能。该肌肉达到的0.15 MPa应力和246.8%应变超越了典型哺乳动物骨骼肌的性能指标（0.1 MPa应力、40%最大应变、40%最大效率）。更重要的是，HFAM作为腱驱动机构的替代方案，在长距离、多弯曲和复杂路径下保持了极低的能量损失，这一特性有望彻底改变手术机器人、医疗器械和柔性辅助设备领域的驱动方式。开发的HFAM驱动软体外骨骼手套验证了其在辅助手部抓握方面的可行性，为软组织外骨骼和柔性手术机器人的未来发展开辟了新的方向。
本研究的首要亮点在于插入法制造工艺的简洁性，彻底绕开了人工均匀缠绕纤维的技术瓶颈，实现了微型化（直径0.8 mm）与米级长度（4 m）的有机结合。其次，HFAM的三重输出力贡献机制——微管弹性力、螺旋线圈弹性力和流体驱动力——使其具有比同结构现有软体驱动器更高的收缩力输出能力。第三，拉伸比α的引入为肌肉输出力的调谐提供了一种在制造阶段即可实现的手段，无需依赖不同材料的替换。第四，HFAM在多回路、多弯曲路径下能量效率几乎不变的特性，与传统腱鞘机构随路径复杂度增加而力损失剧增的行为形成了鲜明对比，为在缺乏板载传感器条件下采用开环前馈补偿控制提供了理论依据。该研究不仅为软体驱动器设计提供了一种新型结构范式，也为腱驱动机构在柔性机器人中的力传递瓶颈提供了一条切实可行的替代路径。