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。”
