如果说过去的『机器人』️是“钢铁直男”，那美国西北大学新研制出的仿生人造肌肉将为『机器人』️赋予前所未有的“柔性灵魂”。这种人造肌肉突破了传统机械驱动的刚性限制，其仿生设计理念让『机器人』️的动作更接近生物运动的流畅性与灵活性。它不再是单纯依靠齿轮和轴承传递动力，而是通过特殊材料的智能形变来实现驱动，就像人类肌肉纤维的收缩与舒张一样，能够完成更为精细和复杂的动作指令，为柔性『机器人』️在人机协作、精密操作等领域的应用开辟了全新道路。
当前，全球柔性『机器人』️领域正面临材料性能与驱动效率难以兼顾的行业痛点，而美国西北大学这项仿生人造肌肉技术的问世，恰好为解决这一难题提供了全新思路。它不仅推动了柔性驱动材料从实验室走向实际应用的进程，更有望加速人机交互场景的智能化升级，未来甚至可能改变传统制造业的自动化生产模式，引领柔性『机器人』️产业进入更具想象空间的发展阶段。
该研究成果的相关论文以“Architected Soft Actuators for Artificial Musculoskeletal Systems”为题发表在《Advance Materials》杂志上。Taekyoung Kim为第一作者，ElitoA.Dunn、Melinda Chen、Ryan L.Truby 共同作者。
（图一）带有集成人造肌肉的『机器人』️腿在脚踝和膝盖处弯曲的合成图像
▍突破传统局限，仿生设计成关键
当前，大多数『机器人』️由刚性材料和机构构成，虽能完成特定任务的精确运动，但在面对复杂多变的现实世界时，难以平稳适应不平坦地形，也无法安全、灵活地与人类互动。西北大学『机器人』️物质实验室负责人瑞安・特鲁比（Ryan Truby）指出：“现实世界不断变化且极为复杂，我们的目标是构建受生物启发的『机器人』️身体，使其具备灵活性、适应性，能应对物理世界的不确定性。”
为实现这一目标，团队将目光投向人体结构—— 既有坚硬的骨骼，又有柔软的肌肉。研究第一作者、特鲁比实验室博士后学者 Taekyoung Kim 表示：“要让未来『机器人』️在非结构化环境中更自然、安全地移动，就得设计得更像人体，兼顾刚性骨骼与柔软的类肌肉执行器。”
▍人造肌肉的“诞生”
基于这种仿生设计理念，研究团队研发出了新型人造肌肉。在此次研发中，团队以特鲁比实验室此前开发的“手动剪切辅助剂”（HSA）为核心。HSA 是一种 3D 打印的圆柱形结构，具备复杂结构，可在扭曲时实现伸展和膨胀等独特运动，这种特性为其模拟肌肉的收缩和伸展提供了基础。团队将HSA 封装在橡胶折纸波纹管结构中，使旋转电机能驱动该结构作为执行器伸展和收缩，从而让其像肌肉一样以强大力量推拉，甚至能在启动时动态僵硬，与人体肌肉特性相似。
（图二）HSA轴与折纸波纹管的力学特性测试
值得一提的是，团队采用手机壳常用的廉价橡胶（热塑性聚氨酯TPU）3D 打印 HSA轴和吉村折纸波纹管，降低了成本且保证了材料的机械顺应性、变形性和坚固性。每块人造肌肉重量约与足球相当，比一罐苏打水略大，可拉伸至自身长度的30%，能收缩并提起比自身重 17 倍的物体，且由电池供电，无需外部重型设备。
（图三）驱动器在推举与拉动不同重量负载时的性能
▍真人大小『机器人』️腿验证实力
为展示人造肌肉的实际潜力，团队用3D 打印构建了真人大小的『机器人』️腿。该腿以硬质塑料为 “骨骼”，搭配橡胶制成的类肌腱连接器，弹性肌腱将 “股四头肌”“腘绳肌” 与 “小腿骨”、“小腿肌肉” 与足部结构相连，能像生物肌肉骨骼系统一样抑制运动、吸收冲击。此外，团队还为『机器人』️腿添加了灵活的3D打印传感器，使其能检测自身运动。该传感器呈三明治结构，两层非导电层中间夹着导电柔性塑料，当人造肌肉移动时，传感器电阻变化，让『机器人』️感知肌肉的伸展或收缩程度。
(图四)台驱动器构建的人体尺寸仿生腿在人工肌肉骨骼系统中的应用
测试显示，这个由电池供电的『机器人』️腿结构紧凑，便携式电池一次充电可支持其在一小时内弯曲膝盖数千次。更令人瞩目的是，它能借助三块人造肌肉（股四头肌、腿筋和小腿）弯曲膝关节和踝关节，成功将排球踢下基座，充分验证了人造肌肉的实用价值。
特鲁比表示：“通过设计具有生物肌肉骨骼系统性能的『机器人』️新材料，我们能制造出更具弹性和坚固性的『机器人』️，适应现实世界使用。我们期待这些人造肌肉为人形和类动物『机器人』️开辟新方向。”
