人工肌肉(新型智能高分子材料之一)

人工肌肉（英文名：polymeric artificial muscle），是模仿哺乳动物骨骼肌设计的一种柔性驱动器，指受外界刺激（光、电、热等）发生可逆响应形变的智能材料和系统。能输入环境刺激变化信息，使响应性聚合物材料产生形状和性能的非线性变化，将化学能或物理能转变为机械能，使聚合物具备制动功能。

人们很早就开始模仿生物体肌肉组织功能，进行“人工肌肉”的研究。仿生设计在人工肌肉研究中非常重要。用于人工肌肉研究的高分子材料有液晶弹性体、介电弹性体、负热膨胀系数的聚合物、铁电聚合物、聚合物-金属配位化合物、聚合物凝胶、导电聚合物、压电聚合物等。人工肌肉研究始于20世纪40年代。1949年，A.卡查尔斯基发现胶原蛋白纤维溶液在pH变化时发生收缩与膨胀，过程可逆可重复。50年代起，先后研究了麦吉本（McKibben）气动驱动器，形状记忆合金、电活性陶瓷等，但性能均存在明显缺陷。2022年7月，美国科学家开发了一种新的材料和工艺，用于制造比生物肌肉更强壮、更灵活的人工肌肉。2024年9月，东京电通实验室（Dentsu Lab Tokyo）在2024外滩大会上展示了拥抱科技（Hugtics），它是一个织入了人工肌肉纤维的特制背心。2025年8月，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所设计了一种尼龙纱线@聚二甲基硅氧烷（尼龙@PDMS）弹性人工肌肉纤维，具有和生物肌肉类似的弹性驱动性能，并基于传统商业化材料开发，为商业化发展奠定良好基础。

人工肌肉能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。人工肌肉分为电致动人工肌肉EAP（Electroactive Artificial Polymer ）和气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles），EAP按照致动原理分为离子传导人工肌肉和电子传导人工肌肉。电子型电致动聚合物是在电场的作用下依靠内部电子的迁移来驱动，它主要包括压电效应材料、液晶弹晶体以及电致动伸缩材料。而离子型电致动聚合物是由内部离子扩散造成渗透压形成的形状变化，它主要包括离子聚合物胶体、导电聚合物以及离子金属交换材料IPMC。人工肌肉材料内部具有固定带电网链，阳离子可以通过网链进行扩散和迁移。它的驱动电压比较低，一般1~3V就可以驱动。人工肌肉具备高输出应变、高输出能量、高输出功率和大负载能力等特点，其体积小巧、运动灵活，在柔性机器人、柔性飞行器、生物医疗等领域有广阔应用前景。

定义

人工肌肉，是指受外界刺激（光、电、热等）发生可逆响应形变的智能材料和系统。能将环境刺激变化信息输入使响应性聚合物材料产生形状和性能非线性变化，将化学能或物理能转变为机械能，导致聚合物形成制动功能聚合物材料。是模仿哺乳动物骨骼肌设计的一种柔性驱动器，具备高输出应变、高输出能量、高输出功率和大负载能力等特点，其体积小巧、运动灵活，在柔性机器人、柔性飞行器、生物医疗等领域有广阔应用前景。

研发历程

人们很早就开始模仿生物体肌肉组织功能，进行“人工肌肉”的研究。仿生设计在人工肌肉研究中非常重要。用于人工肌肉研究的高分子材料包括：液晶弹性体、介电弹性体、负热膨胀系数的聚合物、铁电聚合物、聚合物-金属配位化合物、聚合物凝胶、导电聚合物、压电聚合物等。人工肌肉研究始于20世纪40年代。1949年，A.卡查尔斯基发现胶原蛋白纤维溶液在pH变化时发生收缩与膨胀，过程可逆可重复。50年代起，先后研究了麦吉本（McKibben）气动驱动器，形状记忆合金、电活性陶瓷等，但性能均存在明显缺陷。

2022年7月，美国科学家开发了一种新的材料和工艺，用于制造比生物肌肉更强壮、更灵活的人工肌肉。研究成果发表在最新一期《科学》杂志上。加州大学洛杉矶分校（UCLA）工程学院研究人员称，创建人工肌肉来完成工作并检测力和触觉，一直是科学和工程界的巨大挑战之一。

在制造人工肌肉方面，虽然许多材料都很有竞争力，但具有高弹性的轻质介电弹性体（DE）因其柔韧性极佳而备受关注。大多数DE由丙烯酸或硅树脂制成，但这两种材料都有缺点。传统的丙烯酸DE可实现高驱动应变，但需要预拉伸且缺乏灵活性；有机硅化物更容易制造，但它们不能承受高应力。

UCLA研究团队利用市售化学品并采用紫外线光固化工艺，创造了一种改进的丙烯酸基材料，该材料更柔韧、可调节且更易于扩展，且没有损失其强度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氢键，从而使材料更容易变形，但研究人员调整了聚合物链之间的交联，使弹性体更柔软、更灵活。然后将得到的薄薄的、可加工的高性能介电弹性体薄膜（PHDE）夹在两个电极之间，以将电能转换为致动器的动能。每张PHDE薄膜都像一根头发一样轻薄，大约35微米厚，当多层堆叠在一起时，它们就变成了一个微型电动机，可像肌肉组织一样发挥作用，并产生足够的能量来为机器人或传感器的运动提供动力。研究人员已制作出4—50层不等的PHDE薄膜堆叠。

配备PHDE致动器的人工肌肉可产生比生物肌肉更多的动力，柔韧性也比自然肌肉高3—10倍。UCLA的研究利用了“干法”工艺。该工艺用刀片将薄膜分层，然后进行紫外线固化硬化，使各层均匀。这增加了致动器的能量输出，使设备可支持更复杂的运动。

这种简化的过程，以及PHDE的灵活和耐用特性，允许制造出新型柔性致动器，其可像蜘蛛腿般弯曲跳跃，亦可缠绕和旋转。研究人员还展示了PHDE致动器能够投掷比薄膜本身重20倍的豌豆大小的球。当电压打开和关闭时，致动器还可像隔膜一样膨胀和收缩。

2024年9月，2024外滩大会上展示了东京电通实验室（Dentsu Lab Tokyo）的拥抱科技（Hugtics），是一个织入了人工肌肉纤维的特制背心。当你穿着背心拥抱一个装有装有压力传感器的模型时，系统会复制你拥抱时的物理数据，从而反馈给人工肌肉纤维，给你一个相同的拥抱。有了这件装备，你可以把你的“拥抱”传递给你的女友以及你远方思念的人。对于那些老年群体而言，能将子女的拥抱记忆转化为数据记录下来，即使子女长期不在身边，老人们也能随时沉浸于那份来自子女的温暖拥抱。9月6日上午，东京电通实验室（Dentsu Lab Tokyo）创意技术专家也将在现场（C0馆）分享这些科技创意背后的思考。

2025年8月，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所邸江涛团队设计了一种尼龙纱线@聚二甲基硅氧烷（尼龙@PDMS）弹性人工肌肉纤维，具有和生物肌肉类似的弹性驱动性能，并基于传统商业化材料开发，为商业化发展奠定良好基础。相关研究发表于《物质》。审稿人作出高度评价，该研究为对高耐用性和适应性有需求的机器人技术及可穿戴技术领域提供重要进展与参考。

技术原理

人工肌肉是一种新型智能高分子材料，能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。人工肌肉和天然肌肉之间存在很大差距，这主要是作用机理不同导致的。为了发展与完善人工肌肉，有必要和天然肌肉进行比较，模仿和改进性能，以更好地应用于仿生学研究。人工肌肉和天然肌肉的相同点是它们在工作时都会发生体积改变，且两种肌肉工作时都需要移动的离子参与，都是通过化学反应产生机械运动。

协同效应是由两层膜同时氧化产生的不对称收缩/膨胀过程，以及两层膜同时还原产生的反向不对称收缩/膨胀：其中一层为推动装置，另一层为拉动装置。Fuchiwaki等采用全导电聚合物设计了不对称双层肌肉，通过产生协同的电化学机械驱动实现运动。其中第一层膜在氧化/还原反应中交换阴离子实现膨胀/收缩，第二层膜在氧化/还原反应中交换阳离子导致收缩/膨胀，以此得到最佳的不对称配合8。Must等研究了一种带有离子型电活性聚合物（IEAP）层压板的致动器，表现出高电致应变和高弯曲模量的特性。该层压板具有活性炭基电极，离子液体用作电解质。多层兼容的金箔被用作电流收集器。机器人的循环运动受到尺蠖运动的启发，而IEAP层压板被同时用作驱动器和结构部件。

人工肌肉分为电致动人工肌肉EAP（Electroactive Artificial Polymer ）和气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles），EAP按照致动原理分为离子传导人工肌肉和电子传导人工肌肉。电子型电致动聚合物是在电场的作用下依靠内部电子的迁移来驱动，但是激励所需要的电场比较大。它主要包括压电效应材料、液晶弹晶体以及电致动伸缩材料。而离子型电致动聚合物是由内部离子扩散造成渗透压形成的形状变化，它主要包括离子聚合物胶体、导电聚合物以及离子金属交换材料IPMC。人工肌肉材料内部具有固定带电网链，阳离子可以通过网链进行扩散和迁移。它的驱动电压比较低，一般1~3V就可以驱动。

无污染、寿命长、响应速度快、驱动电压低、能够产生较大的位移形变以及微型化发展等优点。IPMC、压电陶瓷以及形状记忆合金的一些性能比较，不同材料具有不同性能，IPMC的形变量要大得多。

技术特点

人工肌肉和天然肌肉的差别：首先，它们的变形机制明显不同。前者在变形过程中有机高分子化合物链的构象发生改变，并由各处的微观变形积累叠加从而产生宏观形变做功；后者在变形过程中蛋白质的构象并不发生改变，其位移是通过不同种类蛋白质之间的相对位移积累叠加形成的。其次，它们的驱动力不同。前者的驱动力由电流完成，后者由生物电激发后直接将化学能转化为机械能。再次，它们的伸缩变化不同。前者既有收缩又有膨胀来表现其智能性；后者只有收缩，属于单向力装置，运动形式是直线往复式的。

分类

按驱动机制分

电热驱动

电热驱动人工肌肉通过焦耳热使活性材料膨胀和收缩进而实现驱动，其研究核心涵盖：焦耳热电极和高活性热响应基础材料的优化设计。当前发展的焦耳热电极设计包括：电极-活性材料共混；皮芯结构以及互缠结构。同时，聚合物基热响应活性材料则在分子链取向、结晶区控制、纤维设计以及多材料复合等层面取得一系列里程碑进展。

电化学驱动

电化学驱动人工肌肉的核心是离子的定向移动，实现材料的扩张或收缩驱动。这类肌肉主要分为导电聚合物和低维纳米材料。基于赝电容原理的导电聚合物具备良好的生物兼容性和较宽的行程范围。碳纳米材料作为双电层电容材料则具有高响应率、高功率输出等优点。近年来，该领域的创新与里程碑进展主要体现在电化学响应新材料、离子注入新机理以及纤维器件创新设计等方面。

介电驱动

对于介电驱动人工肌肉而言，当电压施加于介电弹性体时，会在电极间产生电荷积累，引起材料沿电场方向压缩和垂直方向扩张，进而产生驱动行为。介电驱动人工肌肉纤维是近年来发展起来的新兴领域，具有高响应速率和宽响应频率等优势，但受限于其较高的驱动电压和有限的活性材料选择，其纤维化制备目前主要集中在薄膜卷曲、多材料涂层和同轴挤出等加工方式。

按传导离子聚合物分

人工肌肉多是传导离子的聚合物凝胶或传导电子的导电聚合物，主要有以下几种：

①pH响应型致动凝胶纤维材料。其能在水中溶胀，并随酸碱变化纤维发生可逆收缩和溶胀，将化学能转化为机械能。

②电化学型导电聚合物。这种聚合物通常由基质和电活性聚合物复合而成，其在氧化还原条件下发生体积变化。例如，以电活性聚吡咯-金双层复合成的致动器，在电化学氧化还原条件下，电活性聚吡咯层压迫双层结构组合体，致其弯曲。

③离子聚合物金属配位化合物。其是以氟聚合物为骨架的膜材，表面结合贵金属铂或金形成复合物，作为树枝状电极。在一定驱动电压下，胶条向正极弯曲，可产生位移率10%~100%、压力10~30MPa，弹性好。

④场致电收缩型聚合物。这种聚合物由25~40μm厚的偏二乙烯基氟-三氟乙烯对半掺比的共聚物P（VDF-TrEE）薄膜制成，外被镀金电极膜。制作时使用电辐射进行加工。在150MV/m的电场作用下，电极间收缩达4%，造成材料内在预应力，有很高的能量密度4。

⑤电解相变型收缩材料。其原理类似于燃料电池，是以水分解时从液相变气相的过程，体积的变化产生位移和动能。

⑥液晶收缩材料。有学者发现，光可使液晶材料弯曲。

按聚合类型分

电子型人工肌肉

在电场作用下呈现复杂形状变化的聚合物材料，有些电刺激响应聚合物体系（电活性聚合物）在电流变化时发生弯曲、伸扭动，可控的形状变化接近于肌肉组织。缩、电子型人工肌肉包括：

①电活性聚合物。电活性聚合物是在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料。由其制备的驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点，与肌肉有着极为相似的特性。与无机化合物材料相比，电活性聚合物可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，比形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大。高抗撕裂强度及固有的振动阳尼性能类似生物肌肉。有望作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架，以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。

②介电弹性体。介电弹性体是化学交联的软弹性体，可以提供很大的场致应变（10%~100%），而一般哺乳动物的应变为20%左右。介电弹性体是研究人员最为关注的聚合物驱动材料，具有质轻、价廉、噪声小及柔软可塑等特性。除此之外，还有压电聚合物、铁电聚合物、液晶弹性体等类型的电子型人工肌肉。电子型人工肌肉的优点在于其可以在室内环境下长时间的驱动，响应速度快，响应时间为微秒级;可以在电场下长时间的保持应变状态，能够产生相对较大的驱动力。不足之处是材料需要较高的驱动电场，应力和应变不可兼顾。由于聚合物玻璃化转变温度导致温度局限性，电子型人工肌肉不适合在低温下工作。对于铁电聚合物材料，由于其居里点偏低，尚不适合高温环境工作。

离子型人工肌肉

离子型人工肌肉包括：

①聚合物凝胶：凝胶状态聚合物刺激制动的动力是凝胶内外环境的化学位差。在电场下不能维持应变状态，而且响应速度较慢，弯曲应变产生的应力相对较小。

②导电聚合物：经过掺杂的导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等在电场下会在电极附近发生可逆氧化还原反应，导致离子迁移，进而发生聚合物体积较大比例的变化，将电能转化为机械功，从而实现驱动。除此之外，聚合物/碳纳米材料复合材料、电流变液、介电液体凝胶等体系也用来制备离子型人工肌肉。离子型人工肌肉的优点是在低电压下能够产生大的弯曲应变，通过施加电压方向可实现双向驱动。

应用发展

商业制造

人工肌肉的部分材料已经率先应用于工商业制造，如用于制造机器鱼、宇航扫尘器等。此外，临床应用主要是抽吸生物标本和注射药物。有学者用稀土材料做成磁敏型收缩材料，称可以达到人工假体肌肉的水平；其产力达167N，加速度达7×10⁻³m/s，收缩率为32%，正被开发为人工假肢材料。Otero和Cortés研制出一种能如人手指般灵敏的机器人手指。这种手指的敏感部位是由三层复合膜[PPy/绝缘塑料膜/PPy]制成的，能感觉手指所承受的压力，从而调节手指用力。而且这种机器人手指跟人的手指一样，对物体能产生感觉7。在美国科罗拉多州丹佛举行的美国科学促进年会上，展出了一种有着女性脸型的新型机器人——K-bot，尽管没有复杂的人体组织，却具有柔软的皮肤。K-bot的脸是由具有24种人工肌肉的导电聚合物制造而成的，原料来自人造橡胶和泡沫混合物，因此能使面部做出更多的表情动作，如能按照指令完整地模仿并表达人类的28种面部表情。而且其面部会随着年龄的变化而出现皱纹。

人工智能

机器人技术与系统全国重点实验室刘英想教授团队在《智能机器人》（SmartBot）创刊号上发表综述论文。论文以《卷绕型人工肌肉及其应用的最新进展》（Recent Advances in Twisted and Coiled Artificial Muscles and Their Applications）为题，全面梳理了卷绕型人工肌肉的材料选择、驱动策略和结构形式，为拓展其在机器人领域的应用开辟新的思路。机器人技术与系统全国重点实验室刘英想教授团队在《智能机器人》（SmartBot）创刊号上发表综述论文。论文以《卷绕型人工肌肉及其应用的最新进展》（Recent Advances in Twisted and Coiled Artificial Muscles and Their Applications）为题，全面梳理了卷绕型人工肌肉的材料选择、驱动策略和结构形式，为拓展其在机器人领域的应用开辟新的思路。

随着新材料、新工艺的蓬勃发展，软体机器人逐渐成为机器人领域的重要研究方向之一。传统驱动器刚性较强，难以满足软体机器人在复杂环境和人机协作场景中的需求，因此，具备高适应性和高安全性的柔性驱动器受到广泛关注。其中，卷绕型人工肌肉凭借高能量密度、低驱动电压、大变形能力、结构简单等优越特性，在软体机器人领域展现出巨大应用潜力。

该论文系统回顾了卷绕型人工肌肉的最新研究进展及其在机器人领域的应用现状，同时围绕材料性能优化、控制精度提升和应用场景拓展等方面，对该领域的未来研究方向进行了分析和展望。论文首先综述了用于制备卷绕型人工肌肉的主要材料，探讨了无机化合物纤维、有机纤维、复合纤维和天然纤维等几类材料的性能特点；深入探讨了卷绕型人工肌肉的多种驱动策略，包括热驱动、电化学驱动、溶剂驱动和其他非接触式驱动方法，对比了不同驱动策略在致动机理和响应速度等方面的优劣势；归纳了卷绕型人工肌肉的基本结构形式，包括单一结构、并联结构和编织结构，分析了不同结构形式对其变形量及输出力等特性的影响；最后介绍了卷绕型人工肌肉在柔性操控装置、移动机器人、智能织物和柔性传感器等机器人领域的典型应用。

太空探索

人工肌肉实现收缩、延展、弹跳、滚压等作动模式的功能单元均为纳米纤维尺度。整体装备可以由人工肌肉纤维和高强度纺织纤维混合编织形成衣面材料，通过结构设计组成平行装配结构。人工肌肉除了作为衣面的结构材料和加压功能材料外，还可以利用组分中拥有良好导电性的碳纳米管发挥导线作用，减少装备中导线的布置及因布线增加的结构工艺，实现材料级别高性能复合。试验表明，人工肌肉纤维收缩量平均达到14.2%，且具有质轻、高强、高导电、高导热以及优异的结构柔性等特点。因此，使用人工肌肉技术的飞行员防护装备可做到衣面材料仅为一层，不仅降低了工艺难度，还降低了防护装备的重量和体积。

人工肌肉应用于飞行员体表加压，驱动方式由气动转为电驱动，可取代传统装备上的充气组件和飞机抗荷代偿系统供气调节装置，不仅降低了防护装备的重量和复杂程度，还提升了抗荷效果及穿戴舒适性。未来多军种立体联合作战模式下，人工肌肉的应用可提高飞行员高空作战能力、增加应急逃生几率等；通过人工肌肉对疲劳部位精准的压力刺激，可消除疲劳、提高飞行员长航时舒适性。对于中长期可能的高空-陆地/舰上作战，使用人工肌肉技术简化后的装备提高作战机动性，提高作战场地转换过程中的精准防护，便于灵活战场转换。

人工肌肉作为一种智能化飞行员穿戴式的终端执行机构可应用于未来多电-全电先进战机，对飞行员装备的智能化发展有着重要的意义。人工肌肉可用于包括全压服、密闭盔、保护头盔、供氧面罩、弹射座椅等防护装备的自适应尺寸调节、加压密封及弹射时身体的预约束，能够极大提高装备的防护性能及系统集成化程度，具有广泛的应用前景。

医疗器材

气动人工肌肉(pneumatic artificial muscle,PAM)具有传统气动元件的轻量化和安全性高等特点，同时有高功率/质量比、结构简单、高柔顺性等特点，受到国内外研究人员的青睐，广泛应用于工业、机器人技术和康复器械等领域。

脑卒中或神经损伤患者，运动康复能够帮助他们恢复肢体的功能和健康状态，运动方式通常包括被动运动和主动运动。在患者康复治疗初期，由于患者肌肉力量较小，需要外力辅助；后期患者肌肉力量恢复，能够自主进行康复训练，甚至可能需要一定的康复器械施加阻力训练。脑卒中患者在实施偏瘫肢体的康复训过程中，基于康复器械训练的效果显著，能够促进偏瘫肢体功能改善。

一般而言，通常使用的康复训练器械对运动位置控制的准确度和输出力的精度要求不是很高，但对安全性和舒适性的要求很高，相比其他驱动器而言，气动人工肌肉在这些方向的表现更加优异，气动人工肌肉技术在康复治疗中的应用已成为当前研究热点。

气动人工肌肉与其他驱动器相比有以下优势：①输出力/自重比大，能量转换的效率高；②较高的动态特性；③无爬行现象；④可以通过改变输入压力实现中间定位；⑤较高的安全性、结构简单、质量轻、结构易于小型化；⑥可结合使用，实现多自由度运动。由于气动人工肌肉的这些优势，使得在康复器械中得到广泛应用，且在人体上下肢中应用最为普遍。

气动人工肌肉在上肢康复器械中的应用包括手部的康复、腕关节的康复和肘关节的康复。上肢康复训练器械主要帮助患者进行伸展和屈曲等动作训练。

军事应用

在科技高速发展和新军事变革持续深入，单兵作战面临着如下几点困难：一是单兵作战能力要求的提高导致单兵负重严重增加；二是抗因伤致机动减弱和战场生存能力要求变高；三是多环境作战需求对体能与适应能力提出挑战；四是对抢险救灾等非战争军事行动提出考验。机械外骨骼作为单兵辅助装置，能传导、放大单兵的肢体动感，做到既增强单兵负重能力，又保持单兵的行动灵活性，使背负单兵数字化系统、大型机具、超标重武器弹药的单兵，依然具有与普通单兵相同或更高的徒步机动作战能力，能够使得单兵作战能力有飞跃性的提升。然而当前液压、气压、电动等助力方式存在着重量大、与人体运动不完全吻合等问题，增加了人体体能消耗。因此有必要研究如何在减小人体自身消耗和外部能源消耗的前提下进一步提升外骨骼助力性能的方式方法。

传统的驱动系统可分为三大类：液压驱动、气压驱动和电机驱动。但结合机械外骨骼的实际使用要求，它们各自存在相对应的缺陷，以至于它们在机械外骨骼上的应用面临困境：一是液压驱动受压液体容易泄露，工作噪声较大，能源使用效率低，传动速度低；二是气压驱动中气动装置传动速度的稳定性较差，信号传递的速度慢，控制性较差，不适用于大功率系统[2，3]；三是电机驱动动态平衡特性差、质量大、惯性大、换向慢。这些驱动系统的缺点制约了机械外骨骼在单兵领域更广泛的应用。另外，当前的机械外骨骼的控制方式都存在着一个共性的问题，就是存在着滞后性，即控制方式一般都为根据人已做出的动作改变控制条件，最后达到外骨骼执行机构跟随人体动作这一方式，这就使得机械外骨骼慢于人的动作，从而导致人体“拖着”外骨骼动作，这严重增加了人体的消耗。

尼龙制弯曲人工肌肉，对比现有仿生材料拥有更好的性能指标组合，例如在循环寿命、重量/体积能量、功率密度、效率、成本和可控性等方面都有着更加优异的表现。在材料测试实验中，尼龙制人工肌肉表现出了以下特性：一是稳定可靠的驱动表现。材料的振幅可通过一个温度函数预测并依靠函数控制振幅，在几个周期甚至一个周期内达到稳定状态；二是可靠的“捕捉状态”。也就是说，在关闭激励源后，弯曲人工肌肉可以保持在固定位置，肌肉可以锁定在当前长度而不消耗能量；三是优秀的力量/位移输出比——较大的线性拉伸致动（最高达49%）和位移/长度比（最高达125%）；四是极长的使用寿命，尼龙制人工肌肉在持续驱动下，100000个周期内振幅降低不到5%。这些优秀的性能表现，使尼龙材料制成的人工肌肉对比现有外骨骼驱动器具有更高的经济性、安全性、稳定性、可控性。

相比现有的外骨骼驱动器，尼龙材料制成的人工肌肉具有以下优点：一是稳定的驱动表现让人工肌肉在外骨骼驱动上的应用更容易实现。尼龙厚度一定并且在适宜的环境中时，热驱动会使其产生稳定的可控的振幅，这使其可控性在外骨骼驱动材料中脱颖而出，而且能够保证电压和两侧热功率输入恒定的设计理论上可以由PID控制器完成。二是可靠的“捕捉状态”让人工肌肉在外骨骼驱动上的应用可靠。类肌肉组织的“捕捉状态”让其更贴合人体，从而更好地协同运动，良好的可逆性可以在不使用任何位置传感器的情况下控制尼龙材料尖端位置；不需要耗费过多设计保证驱动器不会因为本身机械的反应而伤害穿戴者或者阻碍穿戴者行动；比起活性管、碳纳米管、压电双晶片等材料，尼龙人工肌肉只需极小的成本便能实现这种“捕捉状态”。三是优秀的力量/位移输出比在现实应用中的需要非常广泛。尼龙制人工肌肉通过扭曲缠绕高度取向的尼龙细丝，可以将拉伸应力放大至49%，并且可以实现125%的位移长度比。四是极长的使用寿命让材料更经济、更便于商业化生产。弯曲尼龙材料在10万个周期内振幅降低不到5%，相对于其他仿生材料来说是极长的使用寿命，因此尼龙制人工肌肉能够反复重复同一动作，适合应用于单兵外骨骼。

人体关节的转动是通过不同部分的肌肉收缩程度不同而产生的，因此用人工肌肉模拟关节转动需要使人工肌肉的不同部位产生不同程度的弯曲。人工肌肉的弯曲程度与加在其两端的电压正相关，因此本文通过控制加在人工肌肉束中的每根人工肌肉的电压来控制每根人工肌肉的收缩程度，每根肌肉产生不同程度的收缩，整体效果相当于一束人工肌肉弯曲某一角度，等效于人体关节转动了某一角度。控制部分主要分为检测模块、数据处理模块（脉冲生成+串口数据打包）、显示模块三部分。其中检测模块由旋转编码器及外围电路组成，主要是将人体关节的转角转化成脉冲信号，控制板检测到的脉冲的个数即为关节转过的角度；数据处理模块由FPGA主控板、TTL转串口组成，主要是将编码器发送来的脉冲数进行计数，并据此数据生成5路控制信号，控制信号为占空比可调的PWM脉冲，并将转角信号和控制信号的占空比打包为一帧数据包，以发送给上位机显示。占空比的大小就相当于电压的大小，占空比越大，电压越大，占空比越小，电压越小。由于不同部位的人工肌肉需要不同程度的收缩，因此需要多路电压输出，且电压不一定相同。

纤维型人工肌肉

概述

人工肌肉纤维用途广泛，不仅对医学具有重大意义，对机器人技术的发展也至关重要，在2019年，南开大学刘遵峰团队开发出一种新型扭热制冷技术，将人工肌肉应用于制冷领域，拓宽了人工肌肉的应用领域。随着机器人等人工智能技术的发展，作为机器人等人工智能设备驱动关键的人工肌肉引起广泛关。纤维型人工肌肉以其优异的驱动性能及广阔的应用前景引起越来越多学者的研究兴趣，越来越多的纤维型人工肌肉被研发成功，其中基于加捻技术的纤维型扭转肌肉和伸缩肌肉得到了广泛的关注。其对环境刺激（包括温度、溶剂、光、电和pH等）可以进行快速响应，并且能够产生大角度的扭转驱动和巨大的伸缩驱动，引起了人工智能等不同应用领域的研究兴趣。

制备原理

纤维状人工肌肉是基于高度加捻纤维而制备出的一类人工肌肉。聚合物扭曲纤维人工肌肉的制备源于一个有内部排列的前体纤维，其内部由高度取向于纤维方向的柔性聚合链组成，在相邻的非晶区中，纤维方向排列的聚合物链没有构象约束，因此当加热获得构象熵时，它们可以提供较大的可逆收缩。前体纤维的这种内部排列使得纤维本身具有纤维各向异性的重要特性。通过给纤维加捻，纤维会形成扭曲，在纤维表面会形成偏转角（用α表示，即纤维取向偏离中心轴的角度），公式为（其中r是纤维半径，T是加捻密度，即插入捻度除以纤维长度，单位通常为turns/m）。

加捻后纤维内部贮存了大量的旋转应力，在外界刺激（如加热、通电、光照、化学反应）下，纤维内部发生体积膨胀，从而打破内部应力平衡，导致纤维发生解捻，产生旋转运动。

高度加捻的纤维会自发形成螺旋卷曲的结构，这种结构为纤维提供了明显的伸缩驱动。其伸缩现象可用弹簧原理解释，线圈长度的变化与构成线圈的纤维长度、纤维捻度变化及线圈数有关。

螺旋卷绕型肌肉的伸缩与扭曲纤维的扭转关系密切，且伸缩能力大小和应力与线圈的相对直径（即线圈弹簧系数，平均线圈直径与纤维直径的比值）有很大关系。弹簧系数大的卷绕型肌肉能产生较大的驱动行程，但驱动力有限；弹簧系数小的卷绕型肌肉驱动力更大，但驱动行程相应减小。

此外，纤维加捻方向与线圈卷绕方向也是影响卷绕型肌肉驱动效果的关键因素。通常，同手性纤维（线圈卷绕时与纤维加捻方向相同）制备的卷绕型肌肉，纤维解捻时会引起肌肉在轴向方向上的收缩；异手性肌肉（线圈卷绕方向与纤维加捻方向相反）驱动时，肌肉在轴向方向上伸长。

主要类型

电热驱动型纤维人工肌肉

电热驱动型纤维人工肌肉的驱动一般是通过对人工肌肉两端通电实现的，通电产生的焦耳热使材料升温，从而使得纱线体积发生膨胀，纤维的捻曲结构会导致其在体积膨胀后产生扭转和伸缩以达到驱动效果。

美国德克萨斯州立大学达拉斯分校Baughman团队将加捻后形成卷曲结构的碳纳米管纤维填充客体材料石蜡，研制出碳纳米管/石蜡复合材料人工肌肉。利用对碳纳米管人工肌肉两端通电产生的焦耳热，使石蜡受热后体积膨胀，导致人工肌肉直径增大，打破内部捻应力平衡，从而诱导长度方向上的收缩，实现肌肉的旋转和伸缩动作。该人工肌肉最大旋转速度达到11500r/min，最大收缩量达到3%，负载超过本身重量的1×10⁵倍时仍具有很好的驱动效果，提供的机械功率达到自然骨骼肌的85倍。

Mirvakili等利用镍钛合金丝制备出旋转人工肌肉。通过喷涂金材料增加导电性，将加捻后的镍钛合金丝下半部分涂覆金。当在两端施加恒定电流时，未镀金部分镍钛合金丝产生焦耳热，加捻纤维直径膨胀解捻，上半部分带动下半部分产生转动。该人工肌肉直径膨胀达1.5%，长度收缩达4.5%，最大旋转速度达到1.05×10⁴r/min，最大旋转角度可达16(°)/mm，重力扭矩达到8(N・m)/kg。降温时，可利用水或乙醇加速冷却，将响应时间缩短到毫秒级。

南开大学刘遵峰团队使用天然橡胶纤维和碳纳米管，构建出集神经传导、驱动、感知于一体的多功能人工肌肉纤维。通过给碳纳米管层通电形成的电加热效应引起橡胶层的熵弹性变化，实现橡胶纤维收缩驱动。收缩过程中，双鞘层碳纳米管褶皱接触面积增加导致电阻增加，可通过测量电阻变化监测人工肌肉的长度变化。还设置电阻上限和下限自动连接和断开肌肉，设计反馈回路，模拟人提举重物时的自我保护机制。

热驱动型纤维人工肌肉

热驱动型纤维人工肌肉的基本原理是通过加热使纱线体积发生膨胀，从而达到驱动效果。

Haines等将鱼线纤维加捻、缠绕，制备成纤维状人工肌肉驱动器。将一根聚己二酰己二胺纤维加捻直到自然形成卷绕状态，或加捻后再将尼龙纤维缠绕到芯棒上进行热定型处理，即可制备出纤维状人工肌肉驱动器，多根肌肉以不同方式组合可形成复合型人工肌肉。加热时，肌肉在长度方向上产生收缩动作；温度降低时，恢复原长。单一纤维人工肌肉产生的收缩率最大可达到49%，提起重物的重量是人类肌肉的100倍，最大输出功率可以达到5.3kW/kg。由尼龙纤维、导电镀银纤维以及聚酯纤维和棉纤维编织而成的织物，其由12根尼龙肌肉纤维组成的平行结构可以举起3公斤重的重物，且增加了散热面积从而提高循环速率。

法国UniversitédeBordeaux大学的Poulin团队在研究聚乙烯醇有机高分子化合物纤维时，将捻曲技术和“形状记忆”原理相结合，发现掺杂碳纳米管和石墨烯后，具有平衡功能的旋转式人工肌肉纤维的力学性能和驱动性能都得到显著提高。PVA纤维的捻应力与温度有关，加热到程序温度（高于其玻璃化温度，如100℃）时加捻后降温，可固定捻应力；再加热到该温度，可释放捻应力。通过掺杂单壁碳纳米管和氧化石墨烯，驱动性能得到有效增强。PVA-GO纤维人工肌肉在200℃时可产生大约21(N・m)/kg的扭矩，两端固定后加热到210℃，产生0.27锰m的扭矩，高于PVA-SWNT纤维和纯PVA纤维的扭矩。自平衡结构可提高捻度保留率和能量密度，例如自平衡的聚乙烯醇GO纤维人工肌肉能量密度为2766J/kg，比非自平衡的高966J/kg。

电化学能驱动型纤维人工肌肉

电化学能驱动型纤维人工肌肉能够直接将电能转化为机械能，对低电压驱动的人工肌肉发展具有重要意义。其原理是通过外加电压使纱线外电解质溶液中的阴阳离子进入纱线孔隙，使纱线体积增大，达到驱动效果。

美国德克萨斯州立大学达拉斯分校Baughman课题组将碳纳米管纱线加捻研制出扭转纤维人工肌肉，通过电化学能方式实现驱动。在三电极体系中，将加捻的碳纳米管纱线人工肌肉放入电解质溶液中，当电压施加到导电电极时，在电解质-电极界面处形成双电层。电化学作用下，电解质中的溶剂化离子插入碳纳米管纱线孔隙，使人工肌肉体积膨胀，导致碳纳米管人工肌肉解捻，产生旋转运动。

汉阳大学的Kim团队系统地研究了全固态电解质体系的双螺旋碳纳米管人工肌肉。碳纳米管加捻形成纱线，浸渍到固态电解质溶液中，再将2根表面包裹着电解质溶液的纱线加捻在一起形成双电极体系，一根作为阴极，另一根作为阳极。纱线过度加捻后形成螺旋卷绕结构。经过加捻的双螺旋肌肉主要提供扭转驱动，在5V电压驱动下，可提供53(°)/mm的扭转；卷绕型双螺旋人工肌肉在提起重量为自身重量25倍的重物时，1V电压驱动下收缩率0.52%，2.5V时达到1.3%。

美国德克萨斯州立大学达拉斯分校Baughman课题组与其合作团队通过改变载体-活性客体结构分布提高人工肌肉的机械能，将能够产生体积变化的活性客体材料作为壳层分布在载体纱线外层。这种“壳层驱动”形式的人工肌肉在提高机械能输出密度和速率方面具有优越性，在1Hz方波电信号下，收缩率能达到4.7%，单位质量的机械功密度为0.99J/g，机械功率达到1.98W/g。

东华大学材料学院的朱美芳和王宏志合作开发了基于壳层结构的人工肌肉纱线，利用其开发出智能织物，能在环境湿度较高时自动提高孔隙率改善穿着舒适度，还展示了能感知外界葡萄糖含量并作出肌肉响应的壳层结构人工肌肉，在药物缓释领域具有潜在应用。

美国德克萨斯州立大学达拉斯分校Baughman团队联合江苏大学丁建宁教授团队、哈尔滨工业大学冷劲松教授团队等使用离子交换聚合物改变碳纳米管纤维的零电荷电势，该人工肌肉突破传统人工肌肉单向驱动瓶颈，能收缩也能延长，提高了做功效率与能量密度，解决了电容依赖性问题，还可与商用棉纱制成人工肌肉织物。

中国科学院苏州纳米研究所邸江涛和李清文团队利用原位静电纺丝技术，将PVDF-HFP溶液均匀喷涂到碳纳米管纱线上，得到包裹着PVDF-HFP纳米纤维的CNT纱线。PVDF-HFP/CNT纤维加捻后自绞合，浸泡离子液体后形成人工肌肉。其孔隙结构可储存大量离子液体，具有良好的离子电导率，可避免电极短路，能在30%~90%湿度范围、25~70℃温度范围内正常工作，在空气中长期储存且打结后仍可正常工作，应力可达到10.8MPa，是骨骼肌的31倍，可应用于仿生机器人。

溶剂驱动型纤维人工肌肉

溶剂驱动型纤维人工肌肉一般是通过材料对溶剂的吸收导致体积变化来实现驱动。

清华大学曲良体团队将石墨烯纤维加捻，研制出对湿度响应的旋转纤维人工肌肉。该肌肉暴露在85%环境湿度下可快速旋转，环境湿度恢复正常时快速恢复初始状态，最大旋转速度达到5190r/min，最大扭转角达117720°，经过500个周期仍具有优异驱动性能。

复旦大学彭慧胜团队用高度取向的碳纳米管加捻后形成扭曲纤维，利用等离子氧处理使其具有亲水性。多根处理过的碳纳米管纤维一同加捻制得具备多级结构特征的碳纳米管人工肌肉，纤维表面的羟基和空隙有利于水分子吸附和快速响应。该人工肌肉在80%环境湿度下可产生22.8MPa的收缩应力，接触一滴水时可迅速产生170.3turns/m的扭转。

中国科学院物理研究所的解思深团队将聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）溶液和碳纳米管相结合，制备出混纺型纤维人工肌肉。卷绕型碳纳米管人工肌肉对水响应，表现出优异的旋转和收缩性能，负载质量为纤维人工肌肉质量350倍时，总的扭转行程为3720turns/m，同时产生24%的收缩应变，有效限制旋转可使收缩率达到68%，对湿度变化的响应近似线性且具有电驱动能力，在水力驱动发电机、水分开关和微流控混合器等领域具有应用前景。

北京大学曹安源团队通过将石墨烯/单壁碳纳米管复合薄膜过度加捻后形成螺旋卷曲结构，研制出对水分响应的纤维人工肌肉。用水驱动时，水滴加到肌肉表面，纤维肌肉体积膨胀产生伸缩动作，轴向收缩可达到原纤维长度的50%。

东北林业大学苗孟河团队利用羊毛、亚麻和棉花等天然纤维研制出对水响应的纤维型人工肌肉。通过过度加捻形成螺旋卷曲结构，用表面活性剂处理后比较吸附能力，棉花纤维制备的人工肌肉最大收缩量达到16.6%，最大做功能力达到200J/kg，是典型骨骼肌的25倍。利用该人工肌肉设计的通气口，通常闭合，线圈和织物潮湿时收缩拉动褶叶卷曲通风，可用于衣物排汗。

中国科学院苏州纳米所的李清文和邸江涛团队利用碳纳米管研制出对丙酮湿度响应的自捻合人工肌肉。通过加捻形成螺旋卷曲结构，对折自捻合后利用丙酮溶剂驱动，肌肉吸附丙酮蒸汽后产生13.3%的可逆收缩，可提起重量是自身38000倍的重物且不产生旋转运动，循环测试表明其具有良好的结构稳定性和驱动可逆性，利用焦耳加热可增强丙酮解吸速率提高工作频率。

南开大学刘遵峰课题组研发出对湿度响应的蚕丝人工肌肉。利用蚕丝纤维吸湿后体积膨胀，通过加捻、对折自捻合和热定型，分别制备扭转型和伸缩型蚕丝人工肌肉。蚕丝扭转人工肌肉最大旋转速度达到1125r/min，最大扭转角为547(°)/mm，提供63.0锰m/kg的力矩；蚕丝收缩人工肌肉在环境湿度从20%变化到80%时，收缩率最大可达70%，伸长人工肌肉最大伸长率达到630%。利用其制备的智能织物，环境湿度增加时袖子沿经纱方向收缩率可达45%，湿度下降时恢复原长，可实现水分和热量的管理功能。

刘遵峰团队还将棉线纤维加捻、对折形成双螺旋结构，制备出对湿度响应的棉线纤维旋转肌肉，最大旋转角度能达到42.55(°)/mm，最大旋转速度可达720r/min，负载为肌肉本身重量46倍时产生的最大力矩为17.8(锰m)/kg，利用该肌肉设计了对湿度响应的智能窗户，天气晴朗时打开，阴雨时自动关闭。此外，竹纱线加捻后也可制备出湿度驱动型纤维人工肌肉。

刘遵峰团队利用头发中二硫键和氢键形成的交联网络，开发“智能烫发新技术”实现湿度响应的头发人工肌肉自固定。将加捻的头发纤维在巯基乙酸铵溶液中还原，再在月桂胺氧化物溶液中氧化形成新的S―S键交联网络，固定捻曲结构。可通过控制氧化程度调控驱动的可逆性和不可逆性，可逆的旋转型人工肌肉实现122.4mm⁻¹的旋转，同手性和异手性伸缩性人工肌肉分别实现94%的收缩和3000%的伸长，可应用于湿度传感器、电气开关、软拖网机器人和智能发型等。

武汉大学常春雨课题组受植物卷须启发，将纤维素纳米晶体作为增强剂和多功能交联剂加入到丙烯酰胺等混合溶液中聚合成胶。将原始水凝胶纤维拉伸至1500%的应变，加捻后缠绕在轴上形成植物卷须形状，浸入三氯化铁溶液中固定形状，得到可通过水或乙醇驱动的水凝胶人工肌肉，收缩应变高达87%，可用于微引擎、软机器人等领域。

光驱动型纤维人工肌肉

以氧化石墨烯类人工肌肉为例，光驱动型纤维人工肌肉的驱动机理是：低能量近红外光照射时，氧化石墨烯的光热效应使纤维表面温度快速升高，表面吸附的水分子蒸发，捻曲结构的纤维体积变化，从而引起收缩、旋转。东华大学王宏志团队通过湿法纺丝和加捻的方法制备了聚丙烯酸钠(PAAS)/氧化石墨烯(GO)的捻曲结构纤维型人工肌肉，可在25℃、近红外辐照下通过水分蒸发使纤维收缩旋转。

麻省理工学院Anikeevak团队利用“冷拉”技术制备了不同尺寸“黄瓜须”结构的人工肌肉，由聚乙烯(PE)和环烷烃弹性共聚物(COCe)组成的双层不规则纤维制备而成。“冷拉”过程中COCe弹性体被拉长，复合纤维释放预拉伸后自动缩回形成“黄瓜须”结构。实验中，不同截面尺寸的人工肌肉在照射频率为3s照射/10s休息时，可获得温差3.45℃，部分性能超过人类骨骼肌，还在人工肌肉表面涂覆银纳米线，通过测量电阻变化计算长度变化。