款又软又轻、还不用外接设备的人工肌肉来了！直径仅 2mm 的纤维组成的新型人工肌肉竟能举起 200 倍自重的物体，重要的是通化pvc管粘接胶，它在功率密度上实现了接近生物肌肉的水平。

近期，麻省理工学院与意大利巴里理工大学联团队在Science Robotics发表了项关于电流体纤维人工肌肉（EFM，Electrofluidic fiber muscles）的研究。

研究人员在根仅2mm 粗的密封液体软管中装上微型电流体动力学（EHD）泵，通电后能够像生物肌肉那样收缩发力。

然后，奇的现象发生了：这束纤维可举起 4kg 的物体，功率密度达50 瓦每千克，收缩应变达 20，不仅能在 0.3 秒内把个小球弹射出去，同时还能与人类柔软地握手。

这项研究的关键突破在于，解决了机器人域重要挑战：将泵塞进纤维内部做成闭环，驱动器不仅兼具静音、强劲、对人体友好，还甩掉了过去限制软体机器人量产的外部液压设备，有望应用于可穿戴辅助设备、柔外骨骼、人机协作机器人和软体机器人等场景。

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长期以来，传统的机器人驱动系统难以集成到机器人和假肢等域。核心原因之是，其往往需要电机、外部泵或其他笨重且体积庞大的支撑硬件。工程师们直在寻找相关解决案，希望开发出具有特优势的仿生材料，例如能够与生物肌肉力量相当、快速响应、具有可扩展和强控制力等。

这项研究给出了套不同于传统驱动的解决案：直接将泵集成到纤维内部。EFM 在多个面接近于真实肌肉通化pvc管粘接胶，并具有足够的柔韧，能够好地与人体连接且可静音运行。重要的是，这些纤维可以组成不同的形状，来适配特定的任务。

这套新系统的核心在于融了两种已有技术：种是流体驱动——薄型 McKibben 执行器，另种则是基于 EHD 的微型固态泵，可在密封的流体腔室内产生压力，需移动部件或外部流体供应。

尽管技术路线看起来简单，但要将这两个具有不同的动力学特的技术相结，在操作层面仍存在不小的挑战。研究人员发现，如果不解决这个问题，电压在达到约 4 千伏条件时泵容易崩溃。

于是，他们提出了个巧妙的案：在封闭系统中特意注入过量的液体，并提前为整个系统施加约 75 千帕的偏置压力。

这样做的目的在于，让两根对抗肌同时处于微绷紧状态，不仅可止因入口处压力过低引起的气泡，还能将耐受电压从 4 千伏提升到过 8 千伏。从实现果来看，在同样负载 2 牛顿力的条件下，施加过偏置压力的人工肌肉收缩幅度实现了从 2 至 14 的显著提升。

该系统的另创新之处在于模块化设计。电驱动和液压可以像搭建乐积木样进行自由组装，使系统在设计与控制上加灵活。例如，可通过并联多个泵让液体流量变大的式，来实现速度的提升。

（来源：麻省理工学院）

研究团队通过并联 4 个泵驱动对肌肉，实现了每秒 180mm 的收缩速度通化pvc管粘接胶，并且完成次动作仅需 0.13 秒，这样的能支持在 0.3 秒内通过杠杆臂将乒乓球弹射至 24 厘米度。

再比如，万能胶厂家可通过并联多根肌肉纤维的式，来获取大的力气。在研究中，研究人员将 8 根 EFM 绑在起，每侧的两个泵通过并联工作的式提升流量，两侧的肌肉束则串联形成闭环回路。结果显示，总重量仅 22 克的束人工肌肉，提起了 4kg 重的物品，行程为 30mm，并在 1,000 次循环测试中仍保持能稳定。

此外，研究团队还展示了将 EFM 应用在可穿戴设备的可能。研究人员将这些纤维织成块 40cm 长、6cm 宽的“肌肉织物”，作为机械臂的肱二头肌和肱三头肌。

由于其柔软的特能够实现折叠扭曲，机械臂在 EFM 的驱动下实现了 40 多度弯曲。有趣的是，当人类与其握手时，它可以顺从地被开，而这种反向可驱动正是传统电机难以实现的。

尽管 EFM 表现出相关能的优势，但也需要同时看到的是，它还不是个的解决案。例如，它的能量转化率并不，仍需要压驱动才能工作，这对于日常的电源管理面还有进步完善的空间。

此外，这项研究中用到的氢氟醚液体是种特殊的氟化液，存在供应限制和在定的环境影响。因此，研究人员也在探索用非氟化的液体实现类似果的可能。

当下，大多数机器人仍然以电动伺服电机为主，而电机本身存在局限，尤其在人形机器人域，其圆柱形的形态只能安装在关节处，这会致的后果是，要想获得大的力气，电机重量也需要随之增加，因此整个机器人的质量集中在某几个关键点。相比之下，纤维状的人工肌肉能够紧密地封装在机器人或外骨骼内部，并分布在整个结构中。

这项工作的意义不仅仅是突破某几个能指标，例如提起物品的重量、柔韧和速度面的提升。重要的是，它为机器人执行器提供了条不同于伺服电机的新路径。这种纤维形态的人工肌肉，能够像真正的肌肉那样分布在机器人全身，即便其中几根遇到问题也可能不影响整体工作。摆脱刚躯壳的起点，或许就藏在那根 2mm 粗的软管中。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438

https://www.media.mit.edu/articles/a-new-type-of-electrically-driven-artificial-muscle-fiber/

运营/排版：何晨龙

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