软体执行器和人造肌肉，由软材料制成，具有天然柔顺性，其控制简单，不需复杂控制算法便可在不受控制的复杂环境中使用。凭借这一突出优势，软体执行器和人造肌肉作为关键组件，在软体机器人、外骨骼、可穿戴设备和生物医学设备等多个领域得到广泛应用。

然而，硅橡胶和水凝胶等软体执行器和人造肌肉常用的软体材料，其承载能力、力输出和抵抗疲劳或损伤的能力有限，在机械性能上受到很大限制。同时，这些材料的弹性特性也会导致不必要的振动，给特定操作的精确控制带来挑战。

尽管有研发人员为克服这些限制，已经开发出堵塞材料、气动系统、低熔点合金和形状记忆合金等具有可调节刚度的材料，实现了高变形能力、力输出和承载能力的兼备。但这些材料或刚度调节范围有限，负载能力低下，或固有机械性能有限需要复杂有线连接，难以实现机械性能与驱动能力之间的适当平衡。

▍提出复合结构肌肉，超越生物肌肉性能

针对以上种种挑战，前不久来自韩国蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 、悉尼科技大学和埃及石油研究所的研究人员携手合作进行了深入研究，并提出了一种可重构和自适应的人造软磁性肌肉。

该人造软磁性肌肉机械和驱动性能超越了生物肌肉。其制造采用了复合结构，并集成了形状记忆聚合物和磁性颗粒。通过调节光热刺激，磁性复合肌肉能够主动控制机械性能和复杂驱动运动，可以根据需要动态调整其刚度，实现刚度切换比超过2.7×10³的高度柔软状态（杨氏模量为110kPa）到刚性状态（杨氏模量为296.9MPa）的过渡。

也因此，该复合肌肉可以实现相当大的承载能力，其拉伸和压缩应力的最大负载重量比分别高达1000和3690。此外，该复合肌肉还表现出高伸长率（超过800%）、高阻尼比（1.348）、高驱动应变率（63.8%s⁻¹）、高工作密度（129.5kJ m⁻³）和出色的能量效率（90.9%）。

为了展示人造软磁性肌肉的独特属性，并测试其实际应用情况，研究团队在连续体机器中应用并展示了其作为软连续机器人操纵器的多功能性。实验结果表明，人造软磁性肌肉能够熟练地执行各种可编程响应并执行复杂任务，同时最大限度地减少机械振动。与现有执行器相比，该人造软磁性肌肉在多个机械和驱动方面都表现出色。

那么，该研究具体是如何实现的呢？接下来和机器人大讲堂一起来深入了解！

▍单相磁复合肌的设计与制作

人造软磁性肌肉采用复合结构，由集成了相变聚合物和铁磁粒子的单相磁性复合材料制成。单相磁性复合材料则主要包括聚合物基体和钕铁硼（NdFeB）微粒两大部分。

其中，聚合物基体是一种由硬脂基甲基丙烯酸酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚而成的刺激响应性相变材料，具有疏水性和刺激响应性相变特性。在室温下，其长烷基侧链形成有序堆积的晶体结构，赋予材料高强度和承载能力。当温度升高时，这些晶体结构会转变为无序的非晶态，使材料变得柔软且易于变形。   

充当铁磁粒子的NdFeB微粒则通过十八烷基三氯硅烷（ODTS）进行表面改性，与聚合物基体的烷基侧链形成物理缠结，创建了疏水相互作用和复合材料中的双网络。这些微粒不仅增强了聚合物的机械性能，还作为光热转换剂，提高了材料对激光加热的响应速度。

通过远程激光加热，单相磁性复合肌肉可以在硬态和软态之间快速切换，实现刚度的动态调整。这种特性使得该材料在承受重载时能够保持足够的刚度，而在需要变形时又能变得柔软。依托材料属性支撑，单相磁复合肌展现出软体机器人特有的属性，包括广泛的可变刚度、卓越的承载力、弹性和形状记忆功能，以及远程驱动和优秀的驱动应变能力。此外，在磁场的精确控制下，单相磁复合肌也能够执行包括伸长、收缩、弯曲和扭转在内的多种运动模式，进而为软体机器人执行复杂操作提供了广阔的可能性。

为了更全面深入地了解单相磁性复合肌肉，研究团队还进行了包括动态机械分析、刚度变化能力评估、机械性能评估以及能量密度与能量效率测试在内的多项分析。

通过调节磁性颗粒的加载浓度，进行动态机械分析，研究团队揭示了储能模量与磁性颗粒含量之间的正相关关系，证明了磁性颗粒对聚合物网络的有效增强。同时，观察到熔点附近储能模量的明显下降，并归因于侧链的可逆相变，这为理解材料热响应行为提供了关键依据。

在刚度变化能力方面，团队创新性地定义了刚度切换比（SSR），并通过测量不同磁性颗粒含量下的室温和高温下弹性模量，发现SSR随颗粒含量增加而显著提升，证明复合材料在刚性和柔软状态间的切换能力得到增强。

机械性能评估则显示，单相磁性复合肌肉的最大强度、断裂伸长率和韧性等关键指标均表现优越。在综合考虑这些性能以及SSR后，研究团队优选出了含有11g NdFeB颗粒的复合材料作为后续实验的研究对象，该组合在室温和高温下均表现出优越的平衡性能，为材料的实际应用奠定了坚实基础。

能量密度与能量效率测试中，团队通过不同应变的测试，发现单相磁性复合肌肉展现出随应变增加而显著增加的能量密度，最终达到0.852 MJ m−3，并在100%至500%应变范围内保持高能量效率（85.2%至90.9%），显示出优异的能量转换和存储能力。

此外，单相磁性复合肌肉还展现出卓越的工作和功率密度，并在特定磁性颗粒含量下呈现出铁磁性行为，实现了远程控制。这一特性不仅增强了单相磁性复合肌肉的灵活性和可控性，为智能设备、机器人等领域应用提供了可能。

最后，通过100个循环的严格测试，单相磁性复合肌肉表现出良好的耐久性和稳定性，所有性能均保持了至少85.6%的初始性能，为其长期应用提供了有力保障。

▍制作可重构和双响应机械手，证明多功能性

为了证明单相复合肌肉在软机器人中的多功能性，研究团队通过模塑工艺将单相磁性复合肌肉复制成机械手形状，并在保持卷曲形状的同时进行磁化。这使得机械手在无需外部能源的情况下能够保持锁定状态，承载重物。当机械手受到激光加热时，由于单相复合肌肉的形状记忆特性，磁化的机械手会软化并恢复到扁平状态，在这种可变形状态下，可以通过操纵外部磁场来控制机械手的运动，如抓取和释放物体。

进一步的实验测试结果则表明，在无需任何持续能量输入的情况下，该机械手能够稳稳支撑起高达1公斤的重物，并保持水平锁定状态。其比承载能力更是惊人地超过了100。而在可变形状态下，即便被向下拉伸至原长的350%，该机械手依然能够承载1公斤的重量而不发生任何断裂，这充分证明了其优秀的机械强度。

此外，单相复合肌肉具有超强耐用性，不仅能够承受汽车的重量（比承载能力高达3690），还能在压碎坚硬物体时保持完好无损，这充分展示了其既强大又灵活的机械性能。更为神奇的是，即使在手部向上垂直伸展至约135%的情况下，该手依然能够稳稳支撑起200克的重量。

这些结果充分证明了单相复合肌肉在软体机器人系统中的多用途特性，包括远程操控、形状记忆效应、高弹性、可调节的刚度以及在承重和保持形状方面的优越性能。

▍制作双相磁性复合肌肉，实现更好柔韧性与阻尼特性

为了增强拉伸性和阻尼能力，研究团队将单相磁性复合肌肉乳化成亲水相聚合物，并通过原位聚合制成了双相复合肌肉。

双相复合肌肉由聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)、海藻酸盐和三价铝离子构成，形成了相互穿透的双重网络结构。这种结构中的动态可逆键，包括双重网络内的氢键和海藻酸盐与铝离子之间的离子键，有效促进了应力在复合材料中的消散。

在力学性能方面，为了评估了双相复合肌肉的断裂伸长率和弹性模量研究团队比较了三种不同变体，包括不含海藻酸盐的双相复合材料 (DMAA)、含海藻酸钠 (SA) 的双相复合材料 (DMAA-Alg) ，和含 Al 3+离子配位海藻酸盐的双相复合肌肉 (DMAA-Alg/Al 3+ )。结果表明，双相复合肌肉在70°C时展现出了更高的断裂伸长率（815%）和显著增强的弹性模量。

此外，双相复合肌肉还表现出了优越的能量耗散和应变恢复能力。在不同应变水平下进行加载-卸载测试，与其他复合材料相比，双相复合肌肉论是在25°C还是70°C条件下，均显示出了明显高于其他两种复合材料的能量耗散能力，并且在高达700%的应变下仍能保持超过99%的应变恢复率。同时，双相复合肌肉在1000次循环加载-卸载疲劳测试后也展现出了优异的抗疲劳性能和应变恢复能力。

在阻尼能力方面，通过对比单相、双相和双层复合材料的振荡行为可以发现，双相复合肌肉虽然弯曲能力略逊于单相复合肌肉，但结合了单相和双相复合材料的优点，能够实现精确且温和的弯曲运动，既实现了快速响应，又保持了较小的振动和完全的弯曲运动，具有更好的柔韧性和阻尼特性。

凭借出色的伸展性、阻尼能力、力学性能以及可调控的刚度，双相复合肌肉为软体机器人的高精度控制提供了可能。

▍制作连续体机器人操纵器，演示复合肌肉软体机器人实际应用

作为单相和双相复合肌肉在软体机器人应用中的概念验证，研究团队制造了一个由臂和多指手组成的连续体机器人操纵器。其臂部分采用双相复合肌肉肌肉，以平衡场响应性、拉伸性和阻尼能力。多指手部分则采用单相复合肌肉以最大化场响应性。通过激光加热和磁场控制，机器人操纵器能够执行包括抓取、伸展、定位和释放物体在内的复杂连续运动。

通过深入研究了机械手在磁场作用下的弯曲与伸展行为，研究团队对其性能进行了全面评估。

实验过程中，研究团队将机械手一端固定在夹具上，用功率密度为2 W cm^-2的激光照射机械手的重点，并施加垂直于机械手长度方向的磁场控制其弯曲。结果显示，磁通密度从0 mT增至6.3 mT时，机械手的弯曲角度线性增长至85.3°。同时，通过调整永磁体与机械手间的距离来改变磁通密度，研究团队也实现了机械手的伸展，其最大应变达398%。   

此外，研究团队还探究了激光功率密度对机械手表面温度的影响。当功率密度从1.1 W cm-2时，机械手表面温度升至70°C所需时间从17秒缩短至2秒。

机械手由集成永磁体的电磁铁系统操控，能执行复杂动作。在实验中，机械手成功完成了从抓取圆柱体到精准放置的一系列任务。通过局部加热和施加磁场，机械手实现了手指弯曲、抓住物体、手臂伸展及局部弯曲等动作，最终将圆柱体准确放入目标孔中。值得注意的是，该机器人操纵器不仅能进行弯曲、伸展，还能实现扭转和收缩等多种运动，其运动多样性远超传统人工执行器。

参考文章：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52347-w#Fig1