人工肌肉及其在撲翼飛行技術中的應用探析

周皓宇 張祥 黃鳴陽

摘 要：該文簡要回顧了兩類人工肌肉的發展歷程，介紹了近幾年來國內人工肌肉的研究現狀，同時，就國內人工肌肉的應用現狀，探究其在微型撲翼飛行器上的技術實現，最后，分析了人工肌肉在航空航天領域的應用前景，對其研究發展方向提出了一些建議。

關鍵詞：人工肌肉 研究 應用 撲翼

中圖分類號：V276 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0084-02

近年來，隨著人工智能研究的不斷深入，對于智能機械系統的開發愈加迫切，人工肌肉正是驅動系統突破的重點。人工肌肉根據其能量來源和材料結構可分兩種，第一種稱為外在收縮式，其包括液壓人工肌肉（hydraulic artificial muscle，HAM）和氣體驅動人工肌肉（pneumatic artificial muscle，PAM），當下，研究較為廣泛的是氣動人工肌肉，它以支撐材料作為骨架限制變形，內部是氣囊結構，通過氣囊的膨脹和收縮來執行各種柔順的動作，不僅繼承了氣動元件的基本優點，而且結構簡單，具有高柔性和良好的仿生特征[1]。第二類內在收縮式人工肌肉，是一種對外界激勵有簡單響應的材料，其中研究最為廣泛的是電活性聚合物（Electroactive polymers，EAP），其在電場或電流刺激下，因內部結構改變而產生變形，其形變量相比于形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）和電活性陶瓷高1～2個數量級。同時具有柔軟性好、質輕、無噪聲等特點與肌肉有著極為相似的特性，甚至有部分超越肌肉的性能[2]。前者重在機械結構上的研究，后者重在智能材料的開發，二者均為人工肌肉發展的主流方向，該文主要討論后者的研究與應用。

人工肌肉的發展推動了仿生撲翼飛行器的革新。撲翼驅動裝置需具有驅動力強、重量輕、變形量大、響應速度快等特性，而傳統的電機驅動明顯尾大不掉。新型的人工肌肉智能材料可以在外部激勵下可產生力與變形，隨著進一步發展，其變形量和力的大小也將顯著提高，這極大促進了撲翼飛行器性能的提升。

1 人工肌肉的發展歷程

人工肌肉的研究源于早期的機器人的驅動方式的革新，原本應用于機床的零件和結構所組成的機器人暴露出明顯的缺陷，大部分效率低下，難以完成柔順動作和無隙傳動。于是，許多國家紛紛開展了新型機器人驅動裝置——人工肌肉的研究。早在20世紀60年代末，日本就率先開展氣囊式人工肌肉的研發，并應用于二足步行機[3]。八九十年代，隨著微機技術和現代控制理論的發展，協同制造工藝水平的提升，日本Bridgestone公司設計的Rubbertuator驅動器被廣泛用作驅動元件，這一成果使氣動人工肌肉進入了應用領域[4]。

另一方面，20世紀90年代初期，各國陸續開始研究靜電驅動人工肌肉和具有收縮功能的高分子人工肌肉。比如日本工業技術院研發的新型聚乙烯醇、聚丙烯胺和聚丙烯酸的混合凝膠，遇到丙酮溶液就會收縮，浸于水中則又舒展；還有其他類型的驅動裝置，如形狀記憶合金、儲氫合金、磁流體、光機驅動機構等，人工肌肉的研究呈現百花齊放的態勢；而同期，我國仿生學的角度出發，提出一種類似生物肌肉動作的磁性橡膠人工肌肉[5]，開啟了我國在智能材料人工肌肉方面的研究。

2 聚合物人工肌肉的研究現狀

EAP按照其驅動機理可分為電子型和離子型。電子型EAP利用電子作為電流載體，通過靜電力作用使聚合物分子鏈重新排列發生膨脹和收縮而產生變形。其代表有電介質彈性體、液晶彈性體、壓電聚合物及鐵電聚合物。離子型EAP利用離子作為電流載體，施加電場促使離子移動，通過離子進入和離開的聚合物區域發生膨脹和收縮而產生變形。正在研究的離子型EAP驅動材料主要有凝膠、導電聚合物、離子聚合物—金屬復合材料（ionic polymer metal composites，IPMC）、碳納米管復合材料等。電子型EAP響應速率快、驅動應力較大，但激發電壓需高達千伏，在驅動時也需要較高的外部電壓（>100V），因而研究的熱點轉向驅動電壓較低（<5V），且效率更高的離子型EAP，其中，IPMC是當下人工肌肉研究比較熱門的方向。因為IPMC在同等條件下，所產生的變形和響應速率遠勝于凝膠和導電聚合物，因此在人工肌肉領域受到廣泛關注。近年來，隨著制造工藝的顯著提升，各種人工肌肉材料的研究取得突破性進展，呈現出百花齊放的態勢。

2009年，Aliev等人[6]發現碳納米管凝膠人工肌肉在高壓靜電、高溫的條件下能達到220%的延伸率，并且在特定方向上的密度和比強度超越了鋼板。

2011年，Baughman等制備了一種可以提供轉動應變的人工肌肉。將碳納米管纖維作為工作電極浸入電解質溶液中，一端連接著電極，另一端固定一只可自由旋轉的槳葉。在對其施加電壓時，產生扭轉變形，帶動槳葉旋轉，撤掉電壓后，槳在5s的時間回到原位。但是其必須在電解質溶液中運作，且重復性較差。

2014年，吉林大學與德州大學團隊[7]合作，成功地將普通的漁線和縫紉線制備成熱致伸縮的人工肌肉。相比于相同長度和質量的自然肌肉，其能夠抬舉重量和產生功率約高100倍左右。

2015年，Márcio D. Lima教授[8]研究出一種高性能的無需溫度變化的新型人造肌肉，由螺旋碳納米管纖維與硅橡膠組成，其最高收縮率達50%并能產生1.2 kJ每千克的能量。其傳動機構是橡膠，其膨脹期間暴露在非極性溶劑之中，理論上的能量轉換效率可以高達16%。

3 人工肌肉在撲翼飛行器中應用

隨著人工肌肉的優點越來越受到國內外重視，研究的重點逐漸由材料的制備過程向實際應用方向發展。韓國智能系統設計與控制實驗室研制了初始形狀為彎曲狀態的IPMC致動器，并基于這種致動器研發了模擬海月水母的機器水母結構[9]。隨著IPMC致動器的發展，原本發展受到阻滯的微型撲翼飛行器也重新煥發了生機，引起了國內研究熱潮。廈門大學的徐兵采用還原法自行制備了鍍銀電極的IPMC，并研究IPMC作為翅膀驅動用于仿生驅動的可能，將IPMC附著在柔性翅膀用作樸翼驅動器，采用較小尺寸IPMC驅動較大面積的翅膀，同時采用圖案化電極IPMC，成功實現了翅膀的撲動和扭轉三維運動[10]。IPMC貼片如圖1。

同樣在撲翼方面取得較大進展還有中科院沈陽自動化研究所，據悉該所已研制一種人工肌肉與電磁混合驅動的仿蠅機器人[11]，此機器人采用混合驅動的模式，成功實現了兩翅膀的振動和各自轉角的調整，使得機器人飛行器具備轉向功能，能夠實現具有三自由度飛行功能的高機動性要求。同時，此機器人的驅動電壓低，控制簡便，并且容易實現較大輸出位移。

4 結論

目前，人工肌肉技術的研究和應用發展迅速，但還沒有實現普及推廣，它具有廣闊的應用發展前景，但需要理論技術研究的進一步深入來支持。在航空航天領域，人工肌肉技術可應用于軍事偵查的微型撲翼飛行器，而柔性機翼的研究也將推動飛行器設計的新一輪改革，綜合分析人工肌肉的發展現狀，給出以下建議。

（1）支持行業內研究的百花齊放，定期舉辦行業交流會，締結研究聯盟，分享研究經驗；并廣泛舉辦人工肌肉應用競賽，發動各研究型高校和科技型企業參與實用推廣。

（2）結合航空領域的實際需求開展針對性的應用研究，為其提供具體的系列化解決方案，以航空領域為突破口，立足并進軍其他領域。

參考文獻

[1]肖應鋒.氣動人工肌肉的研究及應用進展探析[J].機械工程師，2014（2）：59-60.

[2]李曉鋒，梁松苗，李艷芳，等.仿生材料電活性聚合物“人工肌肉”的研究進展[J].高分子通報，2008（8）：134-135.

[3]陶國良，謝建蔚，周洪.氣動人工肌肉的發展趨勢與研究現狀[J].機械工程學報，2009（10）：75-83.

[4]Robert T. Pack，Joe L. Christopher，et al.A Rubbertuator-Based Structure-Climbing Inspection Robot.[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics & Automation，1997.

[5]徐偉，孫序梁，何麗娟.仿生學在人工肌肉研究中的應用[J].機器人，1995（5）：303-308.

[6]Aliev A E， Oh J， Kozlov M E， et al. Giant-stroke， superelastic carbon nanotube aerogel muscles[J].Science，2009（320）： 1575-1578.

[7]Carter S. Haines，Márcio D. Lima，Na Li，et al.Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread[J].Science， 2014， 343（6173）：868-872.

[8]Márcio D. Lima，et al.Efficient， Absorption-Powered Artificial Muscles Based on Carbon Nanotube Hybrid Yarns[J].Small （Impact Factor： 7.51），2015（3）.

[9]Itelligent Systems Design & Control Laboratory.Polymer actuator[M].Korea：Mechanical Systems Engineering，2008.

[10]徐兵.基于人工肌肉的微撲翼驅動技術研究[D]，廈門：廈門大學，2014.

[11]中國科學院沈陽自動化研究所.一種人工肌肉與電磁混合驅動的仿蠅機器人[P].中國：200910012338.8，2011.