可編程人工肌肉纖維問世，不用組裝，加熱就知道該往哪里彎

大象的鼻子可以輕輕夾起一粒花生，也能推倒一棵大樹；豌豆的卷須會繞著支架盤旋生長；蛋白質(zhì)鏈在細(xì)胞內(nèi)折疊成精密的三維構(gòu)型。這些細(xì)長的生物條狀結(jié)構(gòu)之所以能完成如此復(fù)雜的運(yùn)動，根源在于其內(nèi)部運(yùn)動區(qū)域與結(jié)構(gòu)區(qū)域的精妙排布。

數(shù)十年里，合成材料科學(xué)家一直試圖復(fù)現(xiàn)這種“將運(yùn)動編碼進(jìn)材料結(jié)構(gòu)”的能力，卻往往無法兼顧制造精度與可編程性。近日，哈佛大學(xué)一項(xiàng)發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）的新研究給出了一個(gè)具有啟發(fā)性的方案。研究團(tuán)隊(duì)將旋轉(zhuǎn) 3D 打印平臺與液晶彈性體相結(jié)合，開發(fā)出一類兼具主動變形能力與精確幾何可控性的復(fù)合纖維，在軟體機(jī)器人的抓取系統(tǒng)和智能過濾器中展示出巨大潛力。

機(jī)器人動力系統(tǒng)的未來，或許不是液壓機(jī)或電機(jī)，而是一束比頭發(fā)絲粗不了多少，但會思考、會感覺、會自動收縮舒張的智能肌肉纖維。

（來源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

人工肌肉為何難造？

過去幾年，人形機(jī)器人突然變得具體起來。波士頓動力的 Atlas 會后空翻、特斯拉 Optimus 能擰螺絲、Figure 的機(jī)器人在視頻里還可以自主疊衣服。更有甚者，北京亦莊舉辦了機(jī)器人馬拉松，三百多位機(jī)械之軀角逐真實(shí)城市跑道……

圖 | 正在疊衣服的 Helix 機(jī)器人（來源：Figure）

你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這些機(jī)器人身上最顯眼的東西是外露的金屬關(guān)節(jié)和液壓管路，但在某些任務(wù)上，這些不夠靈活柔韌的構(gòu)件，恰恰也成了它們最大的局限。

問題出在驅(qū)動方式上。人類肌肉是一套極其精巧的軟性系統(tǒng)，數(shù)以百萬計(jì)的肌纖維協(xié)同收縮，可以輕柔地捏起一粒葡萄，也可以在瞬間爆發(fā)出足以撐起整個(gè)身體的力量。它們運(yùn)作時(shí)悄無聲息，無需外置能源管路，還能自我修復(fù)。而今天，絕大多數(shù)機(jī)器人的肢體活動依賴的是電機(jī)和液壓缸，力量夠大、控制夠準(zhǔn)，但本質(zhì)上是剛性的，難以完成連續(xù)柔順的運(yùn)動，與人體或脆弱物體的安全接觸更是系統(tǒng)性難題。

既然能仿照人類、動物的形態(tài)研發(fā)機(jī)器人，為何不能讓驅(qū)動器本身變得像生物肌肉一樣柔軟、輕盈，既能產(chǎn)生復(fù)雜的三維形變，又能精確控制形變的方向和幅度？這個(gè)難題如果被解決，整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)邏輯或許都將被重寫，假肢、外骨骼、微創(chuàng)手術(shù)工具、以及任何需要在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中與人共存的設(shè)備，也將迎來革命性的升級。

現(xiàn)有的柔性驅(qū)動方案包括氣動彈性體、形狀記憶合金、介電彈性體等，它們各有其局限：氣動方案依賴外部氣源，形狀記憶合金應(yīng)變量有限且響應(yīng)較慢，介電彈性體則需要高壓電場。

形形色色的短板之下，液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomer，LCE）成了近年來受到廣泛關(guān)注的候選材料。這種特殊聚合物結(jié)合了液晶的各向異性，以及橡膠彈性體的可逆形變能力：當(dāng)溫度升至液晶的向列相-各向同性相轉(zhuǎn)變溫度（TNI）以上時(shí)，內(nèi)部介晶基元的有序排列被打亂，材料沿其分子取向方向發(fā)生可逆收縮；冷卻后，有序排列恢復(fù)，材料回彈。這一特性使其成為最接近人工肌肉的材料之一。

然而，LCE 的應(yīng)用潛力長期受到制造工藝的制約。要讓 LCE 產(chǎn)生定向、可控的形變，必須在制備過程中精確控制介晶基元的取向。常用方法包括機(jī)械拉伸對齊、外加磁場或電場誘導(dǎo)取向等，過程復(fù)雜，且依舊難以在三維空間中任意編程。

另一個(gè)關(guān)鍵問題是，單一的 LCE 材料只能在均一方向上收縮，若要產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)合運(yùn)動，就需要在同一結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在主動收縮區(qū)域和定向約束區(qū)域，可謂難上加難。

如何實(shí)現(xiàn)如此精密的材料設(shè)計(jì)？哈佛大學(xué)的詹妮弗·A·劉易斯（Jennifer A. Lewis）教授團(tuán)隊(duì)將目光投向他們早已深耕多年的先進(jìn) 3D 打印領(lǐng)域。2023 年，詹妮弗的團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）發(fā)文，首次展示了其自研的旋轉(zhuǎn)多材料 3D 打印平臺（Rotational Multimaterial 3D Printing，RM-3DP），這項(xiàng)技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)打印頭，在單根纖維內(nèi)部實(shí)現(xiàn)亞體素級別的材料分布控制，可用于制造螺旋形介電彈性體人工肌肉和彈簧格柵結(jié)構(gòu)。

圖 | 旋轉(zhuǎn)多材料 3D 打印平臺（來源：https://www.nature.com/a）

RM-3DP 平臺的核心原理并不復(fù)雜，只是需要精密的工程設(shè)計(jì)：打印頭包含多個(gè)墨水通道，各通道可裝載不同材料；噴嘴本身可以在打印過程中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度與打印移動速度的比值決定了材料在纖維截面中的螺旋排布方式。通過實(shí)時(shí)控制旋轉(zhuǎn)速率與擠出速率，研究人員可以在每一段纖維的橫截面上精確規(guī)定各種材料所占的位置與面積，從而在整根纖維的三維結(jié)構(gòu)中預(yù)設(shè)多種材料的具體分布。

讓材料會旋轉(zhuǎn)還能回彈

一根細(xì)絲在加熱后能自動彎曲，冷卻后又復(fù)原，那么它的彎曲角度、扭轉(zhuǎn)方向、伸縮幅度都應(yīng)該在生產(chǎn)過程中就被確定下來。在這項(xiàng)研究中，為了讓材料“記住”自己加熱后的形狀，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了兩種材料組成的復(fù)合體。

其中，上文介紹過的液晶彈性體（LCE）會在溫度升高時(shí)收縮，冷卻后則恢復(fù)初始形狀；而與 LCE 并排擠出的是一種普通軟彈性體，它在溫度變化時(shí)幾乎不產(chǎn)生形變，具有一定剛度。

單憑 LCE 本身，加熱只會讓它均勻地縮短，就像一根橡皮筋被拉長后松手，它只會沿原來的方向收回去，不會彎曲。彎曲發(fā)生的前提是纖維兩側(cè)的收縮程度不同，卻又被迫連在一起。

大家可能都有過不小心弄濕書本的經(jīng)歷，紙張變干的過程中，濕的那一面干燥收縮后，書頁會整齊地朝那一側(cè)卷曲。LCE與被動彈性體的組合正是這個(gè)邏輯，一側(cè)想縮，另一側(cè)不動，纖維只能彎折。

要想讓這根纖維發(fā)生三維形變，可以在打印過程中持續(xù)旋轉(zhuǎn)噴嘴，使 LCE 的擠出方向像擰麻花一樣螺旋排布。這相當(dāng)于在纖維內(nèi)部“寫入”了一個(gè)螺旋形的分子取向場。

加熱激活后，LCE 沿局部取向方向收縮，螺旋取向場使收縮在空間上產(chǎn)生扭矩，驅(qū)動纖維產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變。旋轉(zhuǎn)速率越高，螺旋角越大，加熱后纖維的扭轉(zhuǎn)分量相對彎曲分量也越大。這意味著，只需要調(diào)整打印時(shí)的旋轉(zhuǎn)速率參數(shù)，就能直接調(diào)控材料的變形狀態(tài)。

研究人員通過理論框架，將纖維的自然曲率-扭率場與打印參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速率、材料分布）關(guān)聯(lián)起來，這進(jìn)一步提高了可控性，打印前即可通過模擬預(yù)測材料的形變行為。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬的可靠性，研究團(tuán)隊(duì)還借助布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的國家同步輻射光源 II（NSLS-II），這套工具能直接觀察到 LCE 分子在纖維內(nèi)的螺旋排布，結(jié)果顯示，材料的最終形態(tài)與理論預(yù)測高度相符。

從單根纖維到復(fù)雜結(jié)構(gòu)

這種材料最簡單的形態(tài)是雙層結(jié)構(gòu)的單根纖維，LCE 在纖維一側(cè)、彈性體在另一側(cè)，加熱時(shí)，兩側(cè)收縮量不同，纖維相應(yīng)彎曲。如果旋轉(zhuǎn)噴嘴，使 LCE 螺旋分布在整個(gè)截面，纖維在加熱后就會同時(shí)彎曲和扭轉(zhuǎn)，形狀也變?yōu)榫砬穆菪悬c(diǎn)像被拉開的彈簧。

圖 | 可編程的形狀變形（來源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

驗(yàn)證了單根纖維編程的可行性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其作為構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本單元。他們打印了正弦波形纖維：外形相同、彎曲的波浪狀纖維，但 LCE 的位置不同。當(dāng) LCE 位于波峰的外側(cè)（凸側(cè)）時(shí)，加熱使纖維趨于拉直、整體伸長；當(dāng) LCE 位于內(nèi)側(cè)（凹側(cè)）時(shí)，同樣的加熱刺激反而使纖維進(jìn)一步收縮、波形更深。

（來源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

外觀相同的打印件，內(nèi)部材料分布不同，就可以實(shí)現(xiàn)截然相反的形變行為。這種同形異構(gòu)效應(yīng)正是讓材料結(jié)構(gòu)記住運(yùn)動屬性的精髓。

從正弦波形纖維出發(fā)，把它編織成平面格柵，就得到了更具想象空間的功能性結(jié)構(gòu)材料。其一是主動過濾器。格柵中的膨脹型單元格受熱后，孔隙打開，可容特定尺寸的球形顆粒通過；冷卻后孔隙收縮，顆粒就會被捕獲或截留。

（來源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

其二是多目標(biāo)抓取器。將自由立體格柵壓到多根細(xì)桿下方，加熱后，材料收縮夾緊并將細(xì)桿抬起，冷卻后松開釋放。整個(gè)過程無需外部機(jī)械驅(qū)動，完全受溫度控制。

圖 | 多目標(biāo)抓取工具演示（來源：DOI: 10.1073/pnas.2537250123）

尺寸縮放與未來集成

目前，該研究已能打印直徑約 100 微米（0.1 毫米）的纖維，大約是人類頭發(fā)絲直徑的同一量級。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過進(jìn)一步優(yōu)化定制化噴嘴設(shè)計(jì)和墨水流變性能，有望繼續(xù)縮小尺寸。

關(guān)于功能集成，研究者指出，未來可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的多通道 3D 打印噴嘴，同時(shí)集成液態(tài)金屬導(dǎo)線（用于電觸發(fā)驅(qū)動）、流體通道或傳感單元，使單根纖維在變形的同時(shí)還能傳感或?qū)щ姡瑥亩鴮?shí)現(xiàn)真正的多功能一體化。這與近年來興起的“智能軟物質(zhì)”方向高度契合。

材料本身也有更大的拓展空間。可由紫外/可見光觸發(fā)的光響應(yīng)型 LCE 已有報(bào)道，理論上可以將該打印平臺的激活方式從熱控拓展到光控，進(jìn)一步提升應(yīng)用靈活性。此外，通過引入具有動態(tài)共價(jià)鍵交換能力的 LCE 體系，還可能實(shí)現(xiàn)形狀的“重編程”，使用一段時(shí)間后重新設(shè)定目標(biāo)形狀。

未來，這項(xiàng)技術(shù)有望在軟體機(jī)器人抓手、主動過濾器與閥門以及生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用。

可溫控變形的格柵結(jié)構(gòu)可以同時(shí)輕柔地操控多個(gè)不規(guī)則形狀的物體，在食品包裝、精密裝配等領(lǐng)域有應(yīng)用價(jià)值。相比傳統(tǒng)氣動抓手，這一系統(tǒng)省去了氣管和電磁閥，更簡潔。孔徑隨溫度可調(diào)的過濾器可用于流體控制、實(shí)驗(yàn)室芯片系統(tǒng)、智能紡織品中的透氣調(diào)節(jié)等。

最具想象力的應(yīng)用或許是可注射的自鎖定纖維網(wǎng)絡(luò)。將編程好的纖維注入體內(nèi)特定部位，纖維相互纏繞鎖定，形成高比表面積的多孔支架，有望在快速止血、組織修復(fù)等場景中發(fā)揮作用。當(dāng)然，這一路徑還需要解決材料生物相容性、體內(nèi)長期穩(wěn)定性等一系列問題，距離臨床應(yīng)用仍有相當(dāng)距離。

需要客觀指出的是，液晶彈性體目前的工業(yè)化程度仍然有限，成本相對較高，熱致驅(qū)動的響應(yīng)速度也不如氣動或電動驅(qū)動器。此外，需要主動加熱/冷卻的驅(qū)動方式，從能量效率和驅(qū)動速度的角度看不夠理想。這些因素意味著，LCE 基人工肌肉從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H產(chǎn)品還需要材料化學(xué)、加工工藝和系統(tǒng)集成等多個(gè)層面的共同推進(jìn)。

殊途同歸：下一代人工肌肉的拼圖

就在同一時(shí)期，針對“下一代人工肌肉”形態(tài)的問題，來自首爾國立大學(xué)和麻省理工學(xué)院的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，從截然不同的技術(shù)路徑出發(fā)，又分別給出了兩套解法。

傳統(tǒng)人工肌肉裝置有一個(gè)幾乎被默認(rèn)接受的局限：驅(qū)動和感知是分離的。執(zhí)行器產(chǎn)生運(yùn)動，傳感器監(jiān)測狀態(tài)，兩者通過外部控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，這與生物肌肉的運(yùn)作方式相距甚遠(yuǎn)。生物肌肉中，傳入神經(jīng)（感覺）與傳出神經(jīng)（運(yùn)動）信號在同一纖維束內(nèi)雙向傳導(dǎo)，肌肉既是力量的來源，也是環(huán)境信息的采集器。

首爾國立大學(xué)機(jī)械工程系 Yong-Lae Park 教授團(tuán)隊(duì)近期在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表的研究，將液晶彈性體與液態(tài)金屬通道結(jié)合，構(gòu)建了一種人工肌腱-肌肉復(fù)合體：各向同性 LCE 段充當(dāng)彈性肌腱，向列相 LCE 段充當(dāng)可收縮的肌肉主體；嵌入其中的兩條液態(tài)金屬通道各司其職：一條通電后產(chǎn)熱，驅(qū)動 LCE 發(fā)生相變收縮；另一條實(shí)時(shí)檢測內(nèi)部形變和受力狀態(tài)，充當(dāng)本體感受傳感器。

整套系統(tǒng)在一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)同時(shí)完成了驅(qū)動和感知兩類功能，無需外置傳感器。整合進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)后，配備這種肌肉的機(jī)械手指和抓手不僅能完成精細(xì)的抓取動作，還能自主判斷物體的軟硬程度和尺寸。通過將兩根肌肉組成拮抗對（如生物體中的肱二頭肌-肱三頭肌），還可以實(shí)現(xiàn)收縮與舒張的精確協(xié)調(diào)控制與準(zhǔn)確響應(yīng)，比液壓系統(tǒng)更智能。

圖 | 人工肌腱-肌肉復(fù)合體（來源：DOI: 10.1002/adma.202503094）

如果說哈佛和首爾的工作都還依賴熱刺激，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室與意大利巴里理工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的電流體纖維肌肉選擇的是一種更獨(dú)特的解法：它將流體驅(qū)動器與固態(tài)電泵在纖維尺度上集成為一體，實(shí)現(xiàn)通電即動的直驅(qū)模式。

在性能指標(biāo)上，這套系統(tǒng)的每根纖維直徑約 2 毫米，質(zhì)量僅約 2 克；功率密度約為 50 瓦/千克，與人體骨骼肌相當(dāng)；收縮應(yīng)變達(dá) 20%；響應(yīng)時(shí)間約 0.3 秒。演示中，一種杠桿式配置可在 0.2 秒內(nèi)將物體彈出；多根纖維捆束后可舉起 4 千克重物；仿肱二頭肌-肱三頭肌的對抗配置可驅(qū)動機(jī)器臂彎曲，但材料本身的觸感依然柔軟。

哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)借助精準(zhǔn)的多材料 3D 打印技術(shù)，在制造階段就將形變模式寫入材料，讓結(jié)構(gòu)本身承載運(yùn)動邏輯；首爾大學(xué)希望讓人工肌肉變得更像真實(shí)肌肉，實(shí)現(xiàn)感知-驅(qū)動一體化；MIT 的團(tuán)隊(duì)選擇了為人工肌肉“上強(qiáng)度”，使其在不依賴外部基礎(chǔ)設(shè)施的前提下，達(dá)到接近生物肌肉的力學(xué)性能。

總體來看，液晶彈性體和流體驅(qū)動都只是實(shí)現(xiàn)“軟驅(qū)動”的手段，而感知集成、幾何可編程和高功率密度幾乎是任何一種實(shí)用人工肌肉都需要同時(shí)具備的屬性。

畢竟，人工肌肉領(lǐng)域面臨的根本挑戰(zhàn)從未改變：真實(shí)的骨骼肌在力量密度、響應(yīng)速度、疲勞壽命、自修復(fù)能力和多模態(tài)感知等維度上的綜合表現(xiàn)，至今仍是任何單一人工方案難以全面超越的標(biāo)桿。

未來，更成熟的系統(tǒng)很可能需要跨越這些技術(shù)路線的邊界，集百家之長，將其整合進(jìn)一整套材料-結(jié)構(gòu)-系統(tǒng)框架中。例如，將 MIT 的閉合流體回路集成進(jìn)哈佛可編程打印的格柵結(jié)構(gòu)，或?yàn)楦兄\(yùn)動一體化肌肉加裝電流直驅(qū)的快速響應(yīng)能力。

越來越多研究正從不同側(cè)面逐步拆解這一復(fù)雜目標(biāo)，為最終的融合鋪墊技術(shù)基礎(chǔ)。它們恰好構(gòu)成一個(gè)頗具前景的互文：人工肌肉從實(shí)驗(yàn)室原型到實(shí)用器件的距離，正被一點(diǎn)一點(diǎn)地縮短。

參考內(nèi)容：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2537250123

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503094

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady6438

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成