肌肉是一种能够产生可控力量的高效系统，致力于开发机器人或假肢硬件的工程师们长期以来努力寻求能够接近肌肉独特性能的替代品——兼具强度、快速响应、可扩展性与精确控制。如今，麻省理工学院媒体实验室与意大利巴里理工大学的研究人员联合开发出一种人工肌肉纤维，在多项关键性能上已能与生物肌肉相媲美。

与捆扎成生物肌肉的纤维束类似，这种人工纤维可根据不同任务需求灵活排列组合。与传统机器人驱动系统不同，它足够柔顺，能与人体舒适贴合，且无需电机、外部泵或其他笨重的辅助硬件即可静音运行。

这种新型电流体纤维肌肉——以纤维形式构建的电驱动执行器——相关研究成果已发表于《科学机器人》（Science Robotics）期刊。该研究由媒体实验室博士候选人奥兹甘·基利奇·阿夫萨尔、巴里理工大学教授维托·卡库乔洛以及四位联合作者共同主导。

纤维形态的电动"肌肉"

阿夫萨尔介绍，该系统融合了两项技术：一是基于流体驱动的人工肌肉——薄型麦基本执行器；二是基于电流体动力学（EHD）原理的微型固态泵，该泵无需运动部件或外部供液，即可在密封流体腔内产生压力。

阿夫萨尔指出，迄今为止，大多数流体驱动软执行器依赖于外部"笨重、体积庞大、噪音明显的液压基础设施"，"这使得它们难以集成到对移动性或紧凑轻量设计有要求的系统中"，这已成为流体执行器在实际应用中的根本瓶颈。

突破瓶颈的关键，在于采用了基于电流体动力学原理的集成微型泵。这些毫米级电驱动泵通过向介电流体注入电荷来产生压力和流动，生成的离子会带动流体一同运动。每个泵仅重几克，直径与牙签相近，可实现连续制造并轻松扩展规模。阿夫萨尔表示："我们将这些纤维泵与薄型麦基本执行器集成在一个封闭流体回路中。"她坦承，鉴于两个组件之间存在不同的动力学特性，这项整合工作并不简单。

一项关键设计策略是将这些纤维配置成所谓的"拮抗结构"。卡库乔洛解释称，这就好比弯曲手臂时"一块肌肉收缩，而另一块肌肉伸展"——肱二头肌收缩，肱三头肌拉伸。在该系统中，一个毫米级纤维泵置于两个同等尺寸的麦基本执行器之间，将流体驱入一侧执行器使其收缩，同时放松另一侧。

阿夫萨尔表示："这与生物肌肉的配置和组织方式非常相似。我们选择这种结构，并非单纯出于仿生考量，而是因为我们需要一种在肌肉设计内部储存流体的方法。"需要一个向大气开放的外部储液腔，一直是限制EHD泵在实验室外机器人系统中实际应用的主要因素之一。研究团队将两根麦基本纤维串联，中间夹入纤维泵形成封闭回路，从而彻底消除了这一限制。

另一项重要发现是，肌肉纤维需要进行预增压处理，而非简单注液。阿夫萨尔说："系统存在一个最低内部压力阈值，低于该阈值，泵会发生性能下降甚至暂时停止工作。"这是因为当泵入口处的压力降至液体蒸气压以下时，会产生空化现象——蒸汽气泡形成，最终导致介电击穿。

为防止空化，研究人员从一开始就施加了一个"偏置"压力，确保纤维泵入口处的压力始终不低于液体的蒸气压。该偏置压力的大小可根据具体应用场景进行调节。阿夫萨尔指出："为使肌肉发挥最大收缩力，我们发现存在一个最优的偏置压力范围。如果希望系统响应更快，可以适当提高偏置压力，但最大收缩量会有所下降。"

卡库乔洛补充道，当今大多数机械手臂和机械手都围绕伺服电机构建，其工作方式与自然肌肉存在本质差异。伺服电机在轴上产生旋转运动，必须转换为直线运动，而肌肉纤维天然就是线性收缩和伸展——这种电流体纤维同样如此。

"大多数机械臂和人形机器人是围绕驱动它们的伺服电机进行设计的，"他说，"这造成了集成约束，因为伺服电机难以密集封装，且质量往往集中在其驱动的关节附近。相比之下，纤维形态的人工肌肉可以在机器人或外骨骼内紧密排列，分散分布于整个结构中，而非集中于关节处。"

这种电流体肌肉在可穿戴领域尤具应用前景，例如帮助人类搬运重物的外骨骼，或恢复、增强灵活度的辅助设备。其底层原理还可广泛推广。卡库乔洛表示："我们的研究成果可延伸至流体驱动机器人系统的整体领域。凡是使用流体执行器，或工程师希望以内置泵替代外部泵的场合，这些设计原则均可适用于各类流体驱动机器人系统。"

瑞士洛桑联邦理工学院软换能器实验室教授赫伯特·谢亚（未参与本研究）表示，这项工作"在纤维形态软体执行领域取得了重大突破"，"解决了该领域长期存在的若干难题，尤其是在便携性和功率密度方面"。他还指出："泵中无运动部件使这些肌肉能够静音运行，这对假肢装置和辅助性可穿戴设备而言是一大优势。"

谢亚还评价道："这项高质量、严谨的研究弥合了基础流体动力学与实际机器人应用之间的鸿沟。研究团队提供了完整的系统级解决方案——对各组件进行了详细表征，建立了预测性物理模型，并通过一系列演示装置加以验证。"

研究团队除阿夫萨尔和卡库乔洛外，还包括巴里理工大学的加布里埃莱·普皮洛和詹纳罗·维图奇，以及麻省理工学院媒体实验室的韦迪扬·巴巴泰因和石井裕教授。本研究得到欧洲研究理事会和媒体实验室多方联合资助的支持。

Q&A

Q1：电流体纤维肌肉和普通机器人伺服电机有什么区别？

A：伺服电机产生旋转运动，需额外机构转换为直线运动，且质量集中在关节处，难以密集封装。电流体纤维肌肉像生物肌肉一样天然实现线性收缩与伸展，可在机器人或外骨骼内紧密排列、分散分布，无需笨重的外部液压设备，运行时完全静音，更适合可穿戴和人机协作场景。

Q2：电流体纤维肌肉为什么需要预增压？

A：如果系统内部压力过低，泵入口处的压力会降至液体蒸气压以下，产生空化现象——蒸汽气泡形成并最终导致介电击穿，使泵性能下降甚至停止工作。因此研究人员从一开始就施加"偏置"压力，确保泵始终在安全压力范围内运行。偏置压力的大小可根据需求调节，以平衡最大收缩量和响应速度。

Q3：电流体纤维肌肉有哪些实际应用场景？

A：该技术在可穿戴领域尤具前景，例如帮助人类搬运重物的外骨骼，或用于恢复和增强灵活度的肢体辅助装置。由于其柔顺、静音、无外部泵的特点，也非常适合假肢设备和辅助性可穿戴设备。此外，其底层设计原则可推广至所有使用流体执行器的机器人系统，应用范围十分广泛。