仿生新高度：從肌梭結構到感知驅動一體化的人工肌肉

近日，中國科學技術大學工程科學學院王洪波研究員團隊從生物肌肉結構中獲得靈感，成功研制出一種雙螺旋纖維增強的自感知人工肌肉。基于三組人工肌肉的模塊化組合，構建了多模態仿生移動機器人，實現了爬行、平動、轉向、翻滾四種運動模式，以及多地形自適應移動與外界刺激感知決策能力。該研究為高度智能化探索作業機器人的發展提供了一種新的技術路徑，同時也為基于人工肌肉構建感知型柔性操作器提供了新的設計思路，在軟體機器人與智能驅動領域具有重要的研究意義和應用前景。成果以“A soft perceptive multimodal locomotion robot via double-helix fiber reinforced artificial muscles”為題發表在綜合性國際期刊《創新》（The innovation）上。

圖1 自感知人工肌肉驅動的多模態仿生移動機器人總覽

生物肌肉不僅具有優異的延展性與彈性，還能夠實時感知自身的拉伸狀態，這主要得益于其特殊結構以及內部的本體感受機制。與之相比，盡管氣動人工肌肉在結構和驅動方式上與生物肌肉具有一定相似性，并因此受到廣泛關注，但其本體感知能力仍存在局限性。受人體肌肉中肌梭結構的啟發，研究團隊設計了一種基于雙螺旋導電纖維增強結構的氣動人工肌肉（圖2）。該人工肌肉由帶有線槽的圓柱形硅膠管和嵌入其中的雙螺旋導電纖維線圈構成。

其工作原理如下：不可拉伸的雙螺旋導電纖維有效限制了人工肌肉的徑向膨脹，當內部腔室充氣加壓時，人工肌肉產生軸向伸長；雙螺旋纖維同時構成類似彈簧的螺旋感應線圈，其電感值隨人工肌肉長度變化而單調變化。通過實時測量線圈電感，可實現對人工肌肉長度的高精度自感知，無需外部傳感器。研究團隊建立了相應的靜力學分析模型與感知等效電路模型，結合有限元仿真對結構參數和驅動性能進行了系統優化。

經嚴格測試，該自感知人工肌肉具備以下性能優勢：感知分辨率0.01 mm、遲滯誤差僅1.05%、循環耐久性超過20000次，并具有良好的模塊化可擴展性，可根據任務需求靈活組合。

圖2 仿生肌梭結構啟發的自感知人工肌肉：結構示意與感知原理

在此基礎上，借鑒尺蠖等爬行生物的運動機制，研究團隊將三組自感知人工肌肉捆綁組合，構建了一種由多腔室氣壓協調控制的柔性移動機器人。通過設計不同的充放氣時序，機器人可實現四種基本運動模式（圖3）：

爬行：模擬分節爬行動物的蠕動步態，適用于有一定摩擦力的平坦或起伏地面；

平動：橫向滑行，適用于草地、泥地、平板橋及淺水區域；

翻滾：整體翻轉，可快速穿越沙地和鵝卵石等松軟地形；

轉向：通過差動控制實現原地或行進中的方向調整。

圖3 多模態運動與智能感知行為實驗驗證

在自然界中，大多數爬行生物的視覺能力相對有限，主要依賴體表機械感受器感知環境中的物理接觸和地形變化。受此啟發，研究團隊充分利用機器人感知-驅動一體化設計的優勢，使機器人能夠基于自身感知信息進行環境感知與運動決策（圖3）。

實驗結果表明，該移動機器人具備以下智能感知與決策能力：

障礙繞行：機器人能夠在有光和黑暗環境下感知前方深坑，并主動調整路徑繞行通過；

窄道穿越：機器人通過實時感知身體壓縮量，自動調節運動幅度穿越低矮隧道；

姿態自恢復：機器人能夠實時感知自身姿態，在移動中發生側翻時自動調整恢復穩定運動；

外界刺激識別：借助機器學習方法，機器人可對不同類型的外界交互刺激進行識別與分類。

工程科學學院精密機械與精密儀器系博士生汪宇峰為論文第一作者。工程科學學院、人形機器人研究院王洪波研究員、吳后平副研究員為論文通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金項目、中國科學院引才計劃青年項目、中國科學技術大學高層次人才引進計劃和安徽省科技攻堅計劃項目重大項目以及中央高校基本業務費的支持。

來源：中國科學技術大學官網

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