華南理工“大節距”人造肌肉登權威期刊，軟體機器人驅動迎來巨變

一根纖維，收縮95.1%，拉伸560%，功率密度高達獵豹肌肉的35倍——軟體機器人的仿生肌肉迎來了前所未有的性能突破。

軟體機器人的發展，長期受困于一個核心矛盾：為了動作靈活、形變大，驅動結構必須足夠軟；但要想負載有力、穩定可靠，結構又得足夠剛。

近年來興起的扭轉螺旋聚合物人造肌肉，因其大應變、低滯后和低驅動電壓等特性被視為理想解決方案之一。然而，傳統TCP肌肉往往缺少初始節距，啟動前必須先施加一個拉伸預載來分開相鄰的螺旋。

這個預載如同一道枷鎖，不僅限制了運動范圍和可編程性，還可能在軟體系統中引入非預期的初始變形，成為實際應用中的絆腳石。

▍靈感迸發，從“熱處理”中發現新大陸

華南理工大學周奕彤課題組（課題組網站：http://www.zhouyitonglab.com/index.html）一直致力于攻克這一難題。就在不久前，他們剛剛發表研究，通過模仿染色體多級螺旋折疊結構，在單根纖維內實現了可編程的大變形與高負載。

如今，該團隊再次取得突破，從制造工藝本身找到了更簡潔、更普適的答案。

近日，他們在《Bioinspiration & Biomimetics》 上發表最新研究成果，提出了一種名為“自誘導大螺旋節距（SLiP）”的人工肌肉制造方法。

這項技術的核心洞察極具顛覆性：此前被廣泛視為驅動機制的熱致解捻，在制造階段竟能反向利用，成為形成穩定大節距的關鍵。

研究團隊發現，在高溫長時間的退火過程中，聚合物分子鏈的運動性增強，纖維內部積累的應力得以充分釋放。這一過程有效抑制了纖維從芯軸上取下后過度解捻的趨勢，從而“鎖定”了高捻度，并自發形成了大而穩定的初始螺旋節距。

這種方法的精妙之處在于其極簡主義：無需在纖維中復合其他功能材料，無需定制帶溝槽的模具，也無需繁瑣的多步退火循環。

僅需通過調節退火溫度與時間這兩個參數，就能在單步熱處理中，直接制備出具有可控大節距的SLiP肌肉。

▍性能怪獸：95.1%收縮與560%拉伸的極限數據

那么，如此簡潔方法制造出的人造肌肉，性能究竟如何？實驗數據給出了令人震撼的答案。

在負載條件下，同手性SLiP肌肉的最大收縮應變達到了驚人的95.1%。

這意味著一條1厘米長的肌肉，可以收縮到僅剩不到0.5厘米。即便在無負載的自由狀態下，其收縮率也高達86.6%，充分證明了其無需預載即可實現大變形的核心優勢。

更引人注目的是其異手性配置的表現。當纖維的螺旋方向經過特定設計，SLiP肌肉在受熱時不再收縮，而是產生巨大的拉伸變形：熱驅動下最高達560%，在直接集成供電的電熱驅動模式下，仍能實現511%的有效伸長行程。

這為需要模擬生物肌肉拉伸或推進行程的機器人應用，開辟了全新路徑。

力量與速度同樣出色。SLiP肌肉的最大比功率達到了3.5 kW/kg。這是個什么概念？它遠超人類骨骼肌，更是達到了獵豹肌肉的35倍，甚至超過了早期噴氣式發動機的功率密度。

在動態測試中，SLiP肌肉在極短的50毫秒電脈沖刺激下，仍能產生顯著的快速收縮，展現出優異的響應能力。

▍穩定可靠：5000次循環，性能波動低于1%

對于驅動器而言，性能的巔峰數值固然耀眼，但長期工作的穩定性和可靠性才是走向實用的基石。SLiP肌肉在這方面同樣交出了滿意的答卷。

研究團隊對SLiP肌肉進行了嚴苛的5000次加熱-冷卻循環測試。結果顯示，在整個測試過程中，肌肉的收縮行程波動始終低于1%，且未觀察到任何螺旋塌陷或節距畸變的現象。

這種卓越的穩定性，根源恰恰在于其制造工藝。

高溫長時間的退火過程，深度釋放了纖維內部的殘余應力，使得螺旋幾何結構在面對反復的熱-機械載荷時，能夠保持高度穩定。實驗中觀察到的微小行程漂移，屬于聚合物材料固有的、可逆的粘彈性松弛行為，而非結構性損傷。

這意味著SLiP肌肉不僅“力大無窮”，更是一位能持久作戰的可靠伙伴。

▍實戰演示：從仿生手臂到軟體抓手

為了驗證SLiP肌肉在真實機器人場景中的能力，研究團隊開發了多個軟體與仿生機器人原型。

他們首先打造了一個仿生機器人手臂。在前臂遠端懸掛10克負載的情況下，驅動SLiP肌肉，手臂關節實現了72.5°的流暢旋轉，精準復現了人體手臂的彎曲動作。

靈感來源于尺蠖的軟體爬行機器人，則生動展示了SLiP肌肉帶來的大變形能力。機器人的足間長度變化率達到41.6%，實現了高效的仿生爬行步態。

最能體現其精密操作潛力的，是一個軟體觸手。該觸手在SLiP肌肉的驅動下，實現了高達256°的極致彎曲。

它不僅能夠靈活地纏繞抓取不同直徑的圓柱體物體，還能成功抓取形狀不規則的金屬夾等物品，展現了出色的環境適應性與抓取魯棒性。

最后，團隊集大成地開發了一款由SLiP肌肉驅動的仿生軟體手。其手指比例仿照人手設計，能夠產生類人的大幅彎曲，并成功抓取了重量5-57克、尺寸25-65毫米范圍內的多種物體。

這些演示無一例外地證明，SLiP肌肉能夠為軟體機器人提供大幅、可編程且無需預載的驅動能力，是構建高性能仿生系統的理想致動器。

▍未來之路：挑戰與無限可能

盡管優勢顯著，研究團隊也清醒地指出了SLiP技術當前面臨的三大挑戰。

首先，節距的形成依賴于取向半結晶纖維的熱松弛與分子重排，這在一定程度上限制了可有效加工的材料范圍。

其次，為追求高應變而設計的大初始節距，會降低肌肉剛度，限制其力輸出，對于需要高負載的應用場景構成挑戰。

最后，長期的熱循環可能引入聚合物材料固有的、緩慢的粘彈性幾何變化，長期穩定性仍需在更嚴苛的工作條件下進行考察。

展望未來，研究團隊表示，下一步工作將聚焦于拓展材料體系、優化結構設計以平衡力與應變，并深入研究長期循環行為，進一步提升SLiP肌肉在實用軟體機器人系統中的可靠性。

論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-3190/ae37b7