肌肉是自然的杰作，赋予动物躯体以灵魂。为了复刻和超越自然肌肉，科学家对人工肌肉的探索热情经久不息，并不断拓展它在外骨骼、移动机器人和操作机械等方面的广阔前景。尽管人工肌肉的研究已经是介电弹性体、超螺旋结构、热致动驱动器等百花齐放的世界，但受制于材料、结构或驱动原理，还没有一种人工肌肉在收缩比、输出力、动态响应等方面同时表现出优异的综合机械性能。 |
为了实现简单的结构和优异的综合机械性能，我们提出了一种基于X-交叉机构的正压收缩气动人工肌肉(X-PAMs)，通过X-交叉机构“将膨胀运动直接转化为轴向收缩”，从根本上革新了以Mckibben肌肉为代表的“将径向膨胀转化为轴向收缩”的经典设计思想和原理，相关成果以“X-crossing pneumatic artificial muscles”为题发表于Science Advances期刊。![]()
X-交叉机构气动人工肌肉(X-PAMs)由正压驱动，具有更高的效率和力学表现，输出力达207.9 N·kg-1·kPa-1，收缩比超过92.9%，理论上可逼近100%；同时具有卓越的动态性能，收缩速率1603.0%·s-1，功率密度5.7 kW·kg-1，能量密度842.9 kJ·m-3；综合机械性能均衡且优异。在应用中，X-PAM能够赋予机械肘、跳跃机器人以爆发力，在快速抛掷、移动、跳跃任务中表现出色；多个X-PAM组合的轻量化软体机械手(1.9 g)依然能够保持其力学优势, 抓持力重比超过45.4。在极端环境测试中，同一个X-PAM能够在-20 ℃低温、100 ℃高温、液体气驱、液体液驱条件下正常收缩，并在2.5吨汽车碾压下保持良好的气密性，通过大于5000次力与位移疲劳循环。“将膨胀运动直接转化为轴向收缩”的设计思想和原理具有出色的可拓展性，可以形成串联式、并联式、小尺度、大尺度、对偶式、非对称式、3D环形式、折纸复合式、“8”字式等具有丰富构型和能力的新型人工肌肉，对人工肌肉的研究具有深刻的启发意义。
X-PAM人工肌肉单元由两层柔软的TPU-尼龙复合织物薄膜组成，每层薄膜包括矩形加压区域和丝状“肌束”区域。矩形加压区域在220°C下热封形成一个密闭的气室，进一步折叠气室使丝状“肌束”区域相互穿插，形成X交叉机构，用于运动转换并传递作用力。![]()
视频1 X-PAM的基本结构与基本原理
卸压状态下，由于柔软的织物薄膜气室弯折灵活，X-PAM具有良好的机械透明度。气压激励时，气室迅速膨胀，抵抗弯曲并扩展为直线；X-交叉机构直接将气室膨胀转换为沿作动器轴线的线性收缩。![]()
X-PAM单元的织物薄膜具有各向异性，有益于X-PAM的性能。织物高刚度的方向与X-PAM的“肌束”方向对齐，以减小材料的轴向应变并提高其抗拉能力；织物低刚度方向沿着气室截面圆周方向，有助于气室以更大的截面积充气并增强输出力。针对X-PAMs,我们对一组典型的驱动单元进行静态表征，测定不同激励气压下其力-位移关系。实验结果表明，三组典型X-PAMs的最大收缩比在87.6~92.9%之间。不同于大部分气动人工肌肉输出力随收缩率快速衰减，X-PAMs能够在宽收缩比范围内保持高输出力。150 kPa激励下峰值输出力可达134.7±0.8 N (62.6%),力重比可达31.2±0.2 kN·kg-1, 单位力重比可达207.9±1.3 N·kg-1·kPa-1；收缩比和输出力与现有气动人工肌肉相比都十分出色。我们采用等效元件与准静态方法对X-PAM单元进行有限元仿真，仿真现象和数据很好地吻合了实验结果；我们同时对X-PAM单元进行理论建模，能够较好地反映输出力的大小和变化趋势。实验、仿真和理论模型的结果均表明，X-PAMs收缩存在“挤压主导”向“构型主导”的演化过程，是保证其高输出力的重要机制。图3 力-位移关系的实验、仿真与理论模型
动态响应是人工肌肉性能研究和表征的重要方面。大多数气动人工肌肉并不进行动态性能表征，且广泛采用非规范激励形式，使得人工肌肉性能的研究和比较缺乏共同的科学基准。考虑到气动人工肌肉性能与单元设计、流道、气源存在复杂关系，我们提出并采用阶跃气压激励法，保证在0.2 s内向被测单元施加100 kPa阶跃气压，使得测试结果与非期望因素解耦，创造可比较基准。X-PAMs阶跃响应实验结果表明，该人工肌肉具有突出的收缩速率和能量密度，分别可达1603.0±7.1%·s-1与842.9±1.6 kJ·m-3；同时，其功率密度也较为可观，达到5.7±0.1 kW·kg-1。应用PID-前馈控制器，可以对期望的X-PAMs力与位移进行跟踪。
视频2 X-PAMs阶跃响应
为了探究X-PAM在软体机器人应用中的能力，我们首先将X-PAM集成到一个真实尺寸的机械肘中。在实验中，我们同时使用了一个几何可比的McKibben肌肉，其初始长度和周长与X-PAM相同。100 kPa下，带有X-PAM的机械肘可以弯曲超过125°并稳定承受1 kg的重量，而无负载的McKibben肌肉只能使机械肘弯曲低于60°。100 kPa规范阶跃激励下，X-PAM机械肘可以将乒乓球（2.8 g）垂直抛出，高度达3.2±0.2 m（初始速度约为9.5 m·s-1），这是现有气动或电动人工肌肉所能实现抛出高度的数十倍。相比之下，传统的McKibben肌肉甚至无法将乒乓球从机器人肘部抛出。以上结果表明，X-PAM具有大收缩比、高输出力和高收缩速率。为了探究X-PAM在更复杂的软体机器人系统中的性能，我们开发了一个带有“菱形”机构的X-PAM跳跃机器人(337.3 g)。跳跃机器人在正弦压力(0-50 kPa, 0.1 Hz)激励下水平行走60 cm，并在100 kPa的阶跃压力下起跳“吃掉”悬挂在80 cm高处的塑料草莓模型。实验表明，X-PAM跳跃机器人具有更大的步长(10.0 cm·step-1)和更快的行走速度(2.5 cm·s-1), 而McKibben肌肉驱动的跳跃机器人则只有1.1 cm·step-1和0.1 cm·s-1。此外，X-PAM跳跃机器人能够成功起跳到离地高度为6.9倍(34.1±4.5 cm)静息身高(4.9 cm)处“吃掉”草莓模型。这对于跳跃机器人，尤其是气动跳跃机器人而言，是重要的成就。快速的行走能力和强大的跳跃能力验证了其具有大收缩比和高收缩速率，进一步揭示了其高功率密度和高能量密度。视频4 X-PAM赋予机器人快速行走和强大跳跃能力
除了单个X-PAM的应用，一组X-PAMs可以组成全软机械。我们使用了四个相耦合的小型X-PAMs制作了一个软体机械手(1.9 g)，其中三个X-PAMs产生包裹运动，另一个作为升降器。在100kPa下, 该机械手可将鸡蛋（56.9 g，直径43.5 mm）抓到18.5 mm的高度。此外，它也可以抓取乒乓球、卷尺和微控制器等各种各样的物品，实验中的最大力重比45.4。该软体机械手展示了X-PAMs优异的轻便性和可集成性。视频5 X-PAM可集成为轻便的软体机械手(1.9 g)人工肌肉在极端工作环境下的鲁棒性对实际应用能力至关重要。我们针对同一个X-PAM样本，将之在-20 ℃低温和100 ℃高温中放置大于5分钟并进行驱动，X-PAM工作正常；我们将X-PAM置于水中，分别采用气压和液压驱动，X-PAM工作正常；简单烘干后，在卸压和充气条件下，经过质量2.5吨汽车前后轮依次碾压，X-PAM能够保持良好的气密性并正常收缩。在50%固定收缩比和2 kg负载条件下分别施加0-100 kPa正弦激励，X-PAM在5000次力循环和位移循环后能够保持良好的可重复性和气密性。“将膨胀运动直接转化为轴向收缩”的设计思想和原理可以进行充分的拓展。我们可以设计对偶式X-PAMs来增强输出力,可以采用串联式X-PAMs实现高位移, 可以采用并联式X-PAMs进一步提高输出力，可以开发用于机械手的小尺度X-PAM, 可以开发具有强大承载能力的大尺度X-PAM, 可以用梯形气囊构成的非对称式X-PAM产生旋转运动，也可以将2D腔室进一步变形成3D圆柱腔室以构成类肌肉的环形X-PAM。值得注意的是，我们基于薄膜织物的X-PAMs的机械透明度优于大多数硅胶基或树脂基的气动人工肌肉，但在某些应用中，机械回复性比机械透明度更加重要。为了解决这个问题，我们可以采用折纸复合式X-PAM来被动地平衡机械透明度和机械回复性，也可以通过将两个驱动单元集成为“8”字形X-PAMs实现主动的机械回复。这些丰富多彩的原型展示了X-PAMs在各种软体机器人中出色的可扩展性。视频7 X-PAM丰富的可拓展能力
本研究采用“将膨胀运动直接转化为轴向收缩”的设计思想和原理，提出了基于X-交叉机构的正压收缩气动人工肌肉(X-PAMs)；该人工肌肉结构简单，收缩比、收缩速率、能量密度等综合机械性能优异，具有出色的鲁棒性和可拓展性。文章系统地表征了人工肌肉静态和动态性能，对人工肌肉进行了仿真与建模，验证了其在机械肘、跳跃机器人、软体抓手应用中的快速强大的性能，对人工肌肉领域研究具有重要而广泛的启发意义。上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所的博士生冯苗为论文第一作者，博士生杨德志、英国曼彻斯特大学/吉林大学任雷教授、英国索尔福德大学魏国武教授为共同作者，上海交通大学机械与动力工程学院谷国迎教授为论文通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金资助。论文信息：Miao Feng, Dezhi Yang, Lei Ren, Guowu Wei, Guoying Gu*, X-crossing pneumatic artificial muscles. Science Advcances. 9, eadi7133 (2023).https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi7133上海交通大学机器人研究所软体机器人学与仿生设计课题组（Soft Robotics and Biodesign Lab）诚聘“软体机器人、机器人仿生设计与系统控制、软物质材料作动与传感、智能可穿戴系统”等方向博士后。
谷国迎，上海交通大学教授、博士生导师。主要从事机器人学与软体机器人技术方向的研究。近年来，主持承担了国家杰出青年基金／优秀青年基金、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划、上海市基础研究重点等科研项目十余项，在Science Robotics, Nature Biomedical Engineering, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Communications, Science Advances, IEEE Trans. Robotics, Advanced Materials, Soft Robotics等期刊发表录用论文百余篇，研究成果获教育部自然科学一等奖、上海市自然科学一等奖等。担任Soft Robotics、IEEE Trans. Robotics等期刊副主编、中国机械工程学会机器人分会副总干事、上海市机器人学会秘书长等。
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