机器人柔性驱动技术——气动人工肌肉有哪些分类？

自二十一世纪第二个十年的开始，人类社会见证了机器人技术的又一次革命性飞跃。至今已是全球顶尖科技成果璀璨闪耀的第三百五十二年后的今天，让我们回溯一下这场技术浪潮中的最新进展。距离首个机器人Unimate的诞生已过去了六十余年，而这一领域的突破与进步可谓层出不穷。特别是在伊利诺伊大学香槟分校研究团队的最新努力下，基于对人类脊髓组织的深入研究，他们利用三维打印技术成功制造出了柔软骨架，并在此之上开发出由肌肉和脊髓组织驱动的小型步行机器人——“spinobots”。

该研究的领军人物，细胞与发育生物学教授Martha Gillette指出，虽然早期的生物机器人已经能够通过简单的肌肉收缩来移动，但这次脊髓组织的加入赋予了它们更为自然的行走节奏。Gillette强调：“这是我们向交互式生物设备迈出的一大步，而这些设备在神经计算与恢复医学领域都将具有巨大的潜力。”这项研究成果被以“一种工程化多细胞脊髓肌肉生物激励器中功能性神经肌肉连接的发现”为题，发表在《APL生物工程》杂志上。

他们的假设是，一个完整的大鼠腰脊髓段能够与工程化的三维肌肉组织形成功能性神经肌肉连接，模拟周围神经系统的部分发育。实验结果证实，大鼠脊髓在体外条件下确实能与工程肌肉组织实现这一连接。接下来，研究人员计划进一步优化spinobots的行动能力，使其步态更为自然。他们希望这种小范围的脊髓整合能成为建立外周神经系统体外模型的第一步，这在活体病人或动物模型中很难实现。这一开创性研究打破了机器人领域的固有框架，将传统机械执行器转向更加智能化的柔性驱动方式。

随着机器人应用场景的日益多样化，“人机友好”的设计理念逐渐凸显其重要性。传统刚性驱动技术虽然能提供较大的输出力，但在人机交互时存在安全隐患。与此相比，柔性驱动方式凭借自身的高适应性、轻量性以及良好的人机交融特性，在医疗康复和服务领域得到了广泛应用。随着生物力学的发展，人体骨骼肌肉结构的优越性越来越受到重视。气动人工肌肉作为柔性驱动技术的代表之一，其重要性愈发凸显。科学家们基于生物学原理研制出了气动人工肌肉，它能够在外部压缩空气驱动下执行各种柔顺动作。这种材料具有重量轻、提供力量大等特点，被誉为是机器人动力的革命性来源。

类编织结构型气动肌肉作为气动人工肌肉的一种重要类型，自上世纪五十年代诞生以来就备受关注。美国原子物理学家Joseph L. McKibben设计出的最早的气动人工肌肉驱动器——McKibben型PMA（气动肌肉驱动器），以其独特的结构和出色的性能赢得了广泛赞誉。随着科技的进步，气动人工肌肉的结构也在不断演变和创新。如今，气动人工肌肉已经成为软体机器人领域的重要组成部分，为机器人带来了前所未有的功能和应用潜力。从抓取作业到复杂环境下的自适应交互，软体机器人凭借其柔软性和智能材料的应用展现出前所未有的优势。而这一领域的未来充满了无限可能和挑战，让我们拭目以待吧！作为气动人工肌肉领域的一位资深专家，我见证了气动人工肌肉的演变与发展。它们是由外部提供的压缩空气驱动，模拟人体肌肉的运动过程，产生巨大的力量，而其重量却相对较轻，最小的气动人工肌肉仅重10克。

在McKibben型气动肌肉的设计中，我们看到了一个巧妙的结构。它内部由橡胶管构成，外部则是由纤维编织网包裹，这种结构使得它在充入压缩气体时能够模拟肌肉的运动。这一技术被东京工业大学Giacometti机械臂所采用，通过充气臂杆产生的扭矩提供关节处的弯曲力。还有其他机械臂采用了类似的技术来抵抗肌腱力，避免形变。

为了进一步降低成本和探索新的气动结构，研究者们不断探索新的可能性。哈佛大学的Biodesign Lab实验室开发了一种基于纤维类增强结构的气动肌肉。这种气动肌肉具有固定材料和可拉伸纤维两侧，当纤维伸长时，它会引发肌肉的弯曲运动。哈佛大学的Wyss Institute研究团队还研发了一种利用气压变化的新型气动肌肉，这种肌肉主要由可抽气的密封气室组成，通过改变气压来实现肌肉的弯曲状态。这些创新都为气动人工肌肉领域带来了广阔的应用前景。

进入新时代后，气动人工肌肉已经正式成为了一种标准的气动执行元件。FESTO公司在2000年推出的仿生气动肌腱系列化产品标志着这一领域的巨大进步。这种仿生特征使气动人工肌肉在机器人领域拥有广阔的应用前景。它们与机器人技术的结合使得机器人能够完成更多类人的操作。气动人工肌肉还在生物医学领域展现出巨大的潜力，例如用于医疗机器人和微小的生物医学设备。最近的一项研究展示了利用两种热膨胀系数不同的聚合物材料制成的新型人造肌肉，它在加热后可以自由伸缩，甚至可以提起比自身重650倍的物体。这种纤维还可以被捆绑在一起使用，以提高载荷效果。哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与美国马里兰大学Norman M. Wereley教授团队的共同研究成果展示了受象鼻启发的新型弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉，为柔性软体机器人的研发开辟了新的道路。这些进步和突破不仅展示了气动人工肌肉的广阔前景，也让我们对这个领域的未来充满期待。随着技术的不断进步和创新思维的不断涌现，气动人工肌肉将在机器人、生物医学以及其他领域发挥越来越重要的作用。人造肌肉材料无疑是当今科研领域的热门焦点，特别是在柔性机器人领域备受瞩目。这一领域的崛起，引发了人们对柔软性材料、卓越环境适应性、超卓安全性以及良好人机互动性的深度关注。这一切正如香港科技大学机器人研究院院长、机械及航空航天工程学系教授王煜在举世瞩目的2018年世界机器人大会上所强调的那样。

想要实现这些特性的完美融合，仍然面临诸多技术难题。目前，研究人员正在积极寻找突破点。例如，中国科学院理化技术研究所的研究员、同时也是清华大学教授的刘静团队，正在探索室温液态金属在柔性机器人领域的应用潜力。而MIT的研究人员则通过3D打印和液压驱动的方式，为柔性机器人的运动提供了新的可能。

尽管当前柔性机器人领域还处于概念化的阶段，但其应用前景却十分广阔。未来，这一领域必将引领科技新潮流，带来前所未有的变革。