近日，我校機(jī)械工程學(xué)院丁建寧教授、程廣貴教授、胡興好副教授等在《美國(guó)科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上在線(xiàn)發(fā)表研究論文“Fast, variable stiffness-induced braided coiled artificial muscles”。江蘇大學(xué)為第一完成單位，胡興好副教授為第一作者，碩士生王翔宇和碩士生王健為共同第一作者，通訊作者為胡興好副教授、程廣貴教授、丁建寧教授和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校雷伊·鮑曼院士。
近年來(lái)，開(kāi)發(fā)同時(shí)具備響應(yīng)速度快、絕對(duì)輸出功大的纖維人工肌肉對(duì)其在柔性可穿戴外骨骼等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。加捻卷繞型人工肌肉具有媲美自然肌肉的性能而被廣泛研究。然而由于加捻纖維的捻度從表面到其中心逐漸遞減，處于中心部分的纖維對(duì)人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的貢獻(xiàn)甚微，這意味著在纖維中心的輸入能量沒(méi)有得到有效利用。有研究通過(guò)鞘-芯結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)來(lái)解決響應(yīng)速度和能量效率問(wèn)題。然而，這種中空結(jié)構(gòu)需要較厚的壁厚來(lái)避免扭轉(zhuǎn)引起的管塌陷，這增加了肌肉重量，減少了輸出功。
為解決上述科學(xué)問(wèn)題，近日，江蘇大學(xué)胡興好副教授等提出編織包覆中空管構(gòu)筑編織卷繞型人工肌肉的新方法，并提出了變剛度的驅(qū)動(dòng)理論。具體原理為：在氣壓作用下，中空管帶動(dòng)編織管直徑膨脹，肌肉剛度隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致肌肉在拉伸負(fù)載下收縮，在壓縮負(fù)載下伸長(zhǎng)。該肌肉可在低氣壓下實(shí)現(xiàn)快速、大沖程和高頻驅(qū)動(dòng)。此外，由于其低成本、高性能和易于制造，編織卷繞型人工肌肉滿(mǎn)足了當(dāng)前機(jī)器人驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的需求。最后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三種機(jī)器人，包括爬行機(jī)器人、行走機(jī)器人和攀爬機(jī)器人，展示了其在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。爬行機(jī)器人可以達(dá)到22.5cm/s(2.25個(gè)身體長(zhǎng)度/秒)的速度；行走機(jī)器人可以達(dá)到12.5cm/s的速度直線(xiàn)行走，也可以在14秒內(nèi)以0.1cm-1的曲率轉(zhuǎn)動(dòng)方向，同時(shí)保持1.1cm/s的最大速度。
圖1.編織卷繞型人工肌肉的制作流程
圖2. 編織卷繞型人工肌肉的無(wú)泵驅(qū)動(dòng)原理示意圖
圖3 編織卷繞型人工肌肉在機(jī)器人上的應(yīng)用
該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程和江蘇省優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目的資助。（機(jī)械工程學(xué)院）
文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412288121
