研究人员在人工神经肌肉纤维方面取得新进展

生物体可以通过神经系统和肌肉组织的协同作用感知外界刺激并对环境做出反应。比如蜗牛的触角一接触就会收缩，这有助于蜗牛躲避突发的危险，增加对环境变化的适应能力。随着软机器人的快速发展，使用这种简单的融合系统可以使未来的机器人更加智能和逼真。此外，紧凑型多功能人工肌肉纤维有望简化传统的机械传动单元、力传感器和图像识别模块等多部件系统，实现传感和驱动功能的集成，从而使软机器人的传感和驱动单元变得轻便灵活。

需要在人工肌肉纤维中集成传感功能，以适应环境的变化，实现路径的实时跟踪，但由于人工肌肉纤维的驱动层和传感层之间的界面失配，仍然具有挑战性。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究团队在前人工作的基础上，受蜗牛触角的启发，提出了人工神经肌肉纤维的概念。通过CNT纤维芯依次包裹硅胶弹性体层、纳米纤维网络和MXene/CNTs薄鞘的巧妙同轴结构设计，研究人员使人工神经肌肉纤维在同一根纤维上实现了驱动-传感-反馈的功能。巧妙的结构集成关键在于纳米纤维界面的使用，其辅助传感层实现了驱动过程的动态自适应跟踪，且不限制肌肉纤维的驱动行程。该工作为未来小型化智能软机器人的闭环控制提供了一种创新的解决方案。

在人工肌肉纤维精巧的同轴结构设计中，CNT/硅胶弹性体组件提供驱动功能，而鞘层三维导电网络由于其灵敏的应变电阻变化特性，实现了触摸/拉伸传感和无迟滞循环驱动跟踪功能。同轴结构整体上建立了介质电容，实现了灵敏的非接触传感功能。

接近信号在不同接近速度下的灵敏度可以用来感知外部行为是友好的还是危险的。比如日常生活中，握手是一个相对缓慢的过程，可以通过接近速度较低的感应信号来识别；相反，击打动作是一个相对快速的过程，可以通过接近速度高的感应信号来识别。人工肌肉纤维识别接近信号速度的能力对于未来智能机器人采取一系列环境适应行为非常重要。

人工神经肌肉纤维在整个驱动过程中实现了无滞后的路径跟踪功能。无滞后的路径跟踪是指无论人工神经肌肉纤维是收缩还是恢复，都可以通过鞘的相对电阻变化来识别纤维的位置和状态。目前报道的自感知人工肌纤维的驱动和反馈信号之间存在迟滞问题，使得人工肌纤维的位置状态难以区分，因为一个相对电阻变化值可能对应一个驱动循环中两个或多个不同的位置状态。由于螺旋状人工肌肉纤维在驱动过程中的结构变化非常复杂，可能包括扭转、膨胀和弯曲，因此鞘通过原位复制结构变形来跟踪驱动变化是非常重要的。在这项工作中，引入人工神经肌肉纤维的三维多孔纳米纤维层的作用不仅是增加与MXene/CNT鞘的结合，而且在PDMS层的驱动过程中提供实时原位变形复制功能。

该研究模拟生物体的神经肌肉系统，探索利用按压、拉伸和接近等多模态传感信号触发人工神经肌肉纤维工作的应用场景。在用电路控制设计的起重机模型中，当人工神经肌肉纤维受到触摸(或接近)的短时间刺激时，纤维可以检测到电阻(或电容)的变化。一旦激励信号达到设定的阈值，人工神经肌肉纤维被触发收缩，并通过杠杆臂提起物体。同时，通过人工神经肌肉纤维鞘相对电阻的变化，原位跟踪工作过程中物体的运动和纤维的位置变化。

相关作品在科学进展出版。这项工作得到了国家重点科技攻关项目的支持。d计划和国家。

具有集成传感-驱动-反馈功能的人工神经肌肉纤维概念图