人工肌肉及其在撲翼飛行技術(shù)中的應(yīng)用探析

周皓宇 張祥 黃鳴陽

摘 要：該文簡要回顧了兩類人工肌肉的發(fā)展歷程，介紹了近幾年來國內(nèi)人工肌肉的研究現(xiàn)狀，同時(shí)，就國內(nèi)人工肌肉的應(yīng)用現(xiàn)狀，探究其在微型撲翼飛行器上的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，最后，分析了人工肌肉在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，對(duì)其研究發(fā)展方向提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：人工肌肉 研究 應(yīng)用 撲翼

中圖分類號(hào)：V276 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0084-02

近年來，隨著人工智能研究的不斷深入，對(duì)于智能機(jī)械系統(tǒng)的開發(fā)愈加迫切，人工肌肉正是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)突破的重點(diǎn)。人工肌肉根據(jù)其能量來源和材料結(jié)構(gòu)可分兩種，第一種稱為外在收縮式，其包括液壓人工肌肉（hydraulic artificial muscle，HAM）和氣體驅(qū)動(dòng)人工肌肉（pneumatic artificial muscle，PAM），當(dāng)下，研究較為廣泛的是氣動(dòng)人工肌肉，它以支撐材料作為骨架限制變形，內(nèi)部是氣囊結(jié)構(gòu)，通過氣囊的膨脹和收縮來執(zhí)行各種柔順的動(dòng)作，不僅繼承了氣動(dòng)元件的基本優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，具有高柔性和良好的仿生特征[1]。第二類內(nèi)在收縮式人工肌肉，是一種對(duì)外界激勵(lì)有簡單響應(yīng)的材料，其中研究最為廣泛的是電活性聚合物（Electroactive polymers，EAP），其在電場(chǎng)或電流刺激下，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生變形，其形變量相比于形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）和電活性陶瓷高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)具有柔軟性好、質(zhì)輕、無噪聲等特點(diǎn)與肌肉有著極為相似的特性，甚至有部分超越肌肉的性能[2]。前者重在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的研究，后者重在智能材料的開發(fā)，二者均為人工肌肉發(fā)展的主流方向，該文主要討論后者的研究與應(yīng)用。

人工肌肉的發(fā)展推動(dòng)了仿生撲翼飛行器的革新。撲翼驅(qū)動(dòng)裝置需具有驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、重量輕、變形量大、響應(yīng)速度快等特性，而傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)明顯尾大不掉。新型的人工肌肉智能材料可以在外部激勵(lì)下可產(chǎn)生力與變形，隨著進(jìn)一步發(fā)展，其變形量和力的大小也將顯著提高，這極大促進(jìn)了撲翼飛行器性能的提升。

1 人工肌肉的發(fā)展歷程

人工肌肉的研究源于早期的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式的革新，原本應(yīng)用于機(jī)床的零件和結(jié)構(gòu)所組成的機(jī)器人暴露出明顯的缺陷，大部分效率低下，難以完成柔順動(dòng)作和無隙傳動(dòng)。于是，許多國家紛紛開展了新型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置——人工肌肉的研究。早在20世紀(jì)60年代末，日本就率先開展氣囊式人工肌肉的研發(fā)，并應(yīng)用于二足步行機(jī)[3]。八九十年代，隨著微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，協(xié)同制造工藝水平的提升，日本Bridgestone公司設(shè)計(jì)的Rubbertuator驅(qū)動(dòng)器被廣泛用作驅(qū)動(dòng)元件，這一成果使氣動(dòng)人工肌肉進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

另一方面，20世紀(jì)90年代初期，各國陸續(xù)開始研究靜電驅(qū)動(dòng)人工肌肉和具有收縮功能的高分子人工肌肉。比如日本工業(yè)技術(shù)院研發(fā)的新型聚乙烯醇、聚丙烯胺和聚丙烯酸的混合凝膠，遇到丙酮溶液就會(huì)收縮，浸于水中則又舒展；還有其他類型的驅(qū)動(dòng)裝置，如形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金、磁流體、光機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，人工肌肉的研究呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)；而同期，我國仿生學(xué)的角度出發(fā)，提出一種類似生物肌肉動(dòng)作的磁性橡膠人工肌肉[5]，開啟了我國在智能材料人工肌肉方面的研究。

2 聚合物人工肌肉的研究現(xiàn)狀

EAP按照其驅(qū)動(dòng)機(jī)理可分為電子型和離子型。電子型EAP利用電子作為電流載體，通過靜電力作用使聚合物分子鏈重新排列發(fā)生膨脹和收縮而產(chǎn)生變形。其代表有電介質(zhì)彈性體、液晶彈性體、壓電聚合物及鐵電聚合物。離子型EAP利用離子作為電流載體，施加電場(chǎng)促使離子移動(dòng)，通過離子進(jìn)入和離開的聚合物區(qū)域發(fā)生膨脹和收縮而產(chǎn)生變形。正在研究的離子型EAP驅(qū)動(dòng)材料主要有凝膠、導(dǎo)電聚合物、離子聚合物—金屬復(fù)合材料（ionic polymer metal composites，IPMC）、碳納米管復(fù)合材料等。電子型EAP響應(yīng)速率快、驅(qū)動(dòng)應(yīng)力較大，但激發(fā)電壓需高達(dá)千伏，在驅(qū)動(dòng)時(shí)也需要較高的外部電壓（>100V），因而研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電壓較低（<5V），且效率更高的離子型EAP，其中，IPMC是當(dāng)下人工肌肉研究比較熱門的方向。因?yàn)镮PMC在同等條件下，所產(chǎn)生的變形和響應(yīng)速率遠(yuǎn)勝于凝膠和導(dǎo)電聚合物，因此在人工肌肉領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，隨著制造工藝的顯著提升，各種人工肌肉材料的研究取得突破性進(jìn)展，呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。

2009年，Aliev等人[6]發(fā)現(xiàn)碳納米管凝膠人工肌肉在高壓靜電、高溫的條件下能達(dá)到220%的延伸率，并且在特定方向上的密度和比強(qiáng)度超越了鋼板。

2011年，Baughman等制備了一種可以提供轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)變的人工肌肉。將碳納米管纖維作為工作電極浸入電解質(zhì)溶液中，一端連接著電極，另一端固定一只可自由旋轉(zhuǎn)的槳葉。在對(duì)其施加電壓時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，撤掉電壓后，槳在5s的時(shí)間回到原位。但是其必須在電解質(zhì)溶液中運(yùn)作，且重復(fù)性較差。

2014年，吉林大學(xué)與德州大學(xué)團(tuán)隊(duì)[7]合作，成功地將普通的漁線和縫紉線制備成熱致伸縮的人工肌肉。相比于相同長度和質(zhì)量的自然肌肉，其能夠抬舉重量和產(chǎn)生功率約高100倍左右。

2015年，Márcio D. Lima教授[8]研究出一種高性能的無需溫度變化的新型人造肌肉，由螺旋碳納米管纖維與硅橡膠組成，其最高收縮率達(dá)50%并能產(chǎn)生1.2 kJ每千克的能量。其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是橡膠，其膨脹期間暴露在非極性溶劑之中，理論上的能量轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)16%。

3 人工肌肉在撲翼飛行器中應(yīng)用

隨著人工肌肉的優(yōu)點(diǎn)越來越受到國內(nèi)外重視，研究的重點(diǎn)逐漸由材料的制備過程向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展。韓國智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制實(shí)驗(yàn)室研制了初始形狀為彎曲狀態(tài)的IPMC致動(dòng)器，并基于這種致動(dòng)器研發(fā)了模擬海月水母的機(jī)器水母結(jié)構(gòu)[9]。隨著IPMC致動(dòng)器的發(fā)展，原本發(fā)展受到阻滯的微型撲翼飛行器也重新煥發(fā)了生機(jī)，引起了國內(nèi)研究熱潮。廈門大學(xué)的徐兵采用還原法自行制備了鍍銀電極的IPMC，并研究IPMC作為翅膀驅(qū)動(dòng)用于仿生驅(qū)動(dòng)的可能，將IPMC附著在柔性翅膀用作樸翼驅(qū)動(dòng)器，采用較小尺寸IPMC驅(qū)動(dòng)較大面積的翅膀，同時(shí)采用圖案化電極IPMC，成功實(shí)現(xiàn)了翅膀的撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)三維運(yùn)動(dòng)[10]。IPMC貼片如圖1。

同樣在撲翼方面取得較大進(jìn)展還有中科院沈陽自動(dòng)化研究所，據(jù)悉該所已研制一種人工肌肉與電磁混合驅(qū)動(dòng)的仿蠅機(jī)器人[11]，此機(jī)器人采用混合驅(qū)動(dòng)的模式，成功實(shí)現(xiàn)了兩翅膀的振動(dòng)和各自轉(zhuǎn)角的調(diào)整，使得機(jī)器人飛行器具備轉(zhuǎn)向功能，能夠?qū)崿F(xiàn)具有三自由度飛行功能的高機(jī)動(dòng)性要求。同時(shí)，此機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電壓低，控制簡便，并且容易實(shí)現(xiàn)較大輸出位移。

4 結(jié)論

目前，人工肌肉技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，但還沒有實(shí)現(xiàn)普及推廣，它具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景，但需要理論技術(shù)研究的進(jìn)一步深入來支持。在航空航天領(lǐng)域，人工肌肉技術(shù)可應(yīng)用于軍事偵查的微型撲翼飛行器，而柔性機(jī)翼的研究也將推動(dòng)飛行器設(shè)計(jì)的新一輪改革，綜合分析人工肌肉的發(fā)展現(xiàn)狀，給出以下建議。

（1）支持行業(yè)內(nèi)研究的百花齊放，定期舉辦行業(yè)交流會(huì)，締結(jié)研究聯(lián)盟，分享研究經(jīng)驗(yàn)；并廣泛舉辦人工肌肉應(yīng)用競賽，發(fā)動(dòng)各研究型高校和科技型企業(yè)參與實(shí)用推廣。

（2）結(jié)合航空領(lǐng)域的實(shí)際需求開展針對(duì)性的應(yīng)用研究，為其提供具體的系列化解決方案，以航空領(lǐng)域?yàn)橥黄瓶?，立足并進(jìn)軍其他領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]肖應(yīng)鋒.氣動(dòng)人工肌肉的研究及應(yīng)用進(jìn)展探析[J].機(jī)械工程師，2014（2）：59-60.

[2]李曉鋒，梁松苗，李艷芳，等.仿生材料電活性聚合物“人工肌肉”的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2008（8）：134-135.

[3]陶國良，謝建蔚，周洪.氣動(dòng)人工肌肉的發(fā)展趨勢(shì)與研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009（10）：75-83.

[4]Robert T. Pack，Joe L. Christopher，et al.A Rubbertuator-Based Structure-Climbing Inspection Robot.[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics & Automation，1997.

[5]徐偉，孫序梁，何麗娟.仿生學(xué)在人工肌肉研究中的應(yīng)用[J].機(jī)器人，1995（5）：303-308.

[6]Aliev A E， Oh J， Kozlov M E， et al. Giant-stroke， superelastic carbon nanotube aerogel muscles[J].Science，2009（320）： 1575-1578.

[7]Carter S. Haines，Márcio D. Lima，Na Li，et al.Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread[J].Science， 2014， 343（6173）：868-872.

[8]Márcio D. Lima，et al.Efficient， Absorption-Powered Artificial Muscles Based on Carbon Nanotube Hybrid Yarns[J].Small （Impact Factor： 7.51），2015（3）.

[9]Itelligent Systems Design & Control Laboratory.Polymer actuator[M].Korea：Mechanical Systems Engineering，2008.

[10]徐兵.基于人工肌肉的微撲翼驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[D]，廈門：廈門大學(xué)，2014.

[11]中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所.一種人工肌肉與電磁混合驅(qū)動(dòng)的仿蠅機(jī)器人[P].中國：200910012338.8，2011.