“为什么机器人看起来总是有点‘僵’？” 一个很现实的原因是：它们的“肌肉”不行。现在的机器人，要么靠电机，力量大但刚性强；要么用人工肌肉，虽然柔软，却往往只能在特定场景下工作。结果就是每做一个机器人，都要围着执行器去妥协。

而一项来自亚利桑那州立大学孙杰锋教授团队的研究，试图从根本上改变这件事。他们提出了一种新的人工肌肉结构：HARP（螺旋各向异性增强执行器）。 但它的重点，并不是“更强”，而是“更自由”。 这项研究不久前登上了国际顶级期刊《PNAS（美国国家科学院院刊）》。

过去几十年，人工肌肉的发展其实不慢，但始终有一个共性问题——每种技术都有明显短板。传统人工肌肉往往只能在特定场景下表现优异，比如介电弹性体致动器需要千伏级电压输入，气动McKibben肌肉体积膨胀大且收缩率有限，热驱动的形状记忆合金能效低、响应慢。这些固有缺陷严重限制了人工肌肉在实际机器人系统中的应用。它们往往在某一项性能上很突出，却很难同时满足多个要求。换句话说这些“肌肉”都太专用了。

这项工作的核心：把人工肌肉“拆开重做”。传统人工肌肉，是材料、结构和性能紧紧耦合 在一起的；而HARP做的，是把它拆成几个独立部分：外层管、内部核心、各向异性结构以及驱动方式。一旦拆开，就意味着可以自由组合。你可以换材料来提升耐磨性，可以换结构来降低压力需求，也可以换核心来改变刚度或寿命。这种“解耦”，让人工肌肉第一次真正拥有了一个可以调参的设计空间。

因此它不仅在性能上达到了业界领先水平，更重要的是首次实现了在单一框架内适应各种复杂应用场景的能力。其力量密度惊人，能够轻松举起相当于自身重量100倍的重物。此外，这项研究还展示了HARP人工肌肉高达75%的收缩率、1.93 kW/kg的功率密度和29%的能效，同时还能根据不同应用需求灵活调整材料和设计参数。

01.

解耦设计实现前所未有的通用性

HARP的核心创新在于其解耦的模块化设计。研究团队将人工肌肉分解为四个独立可选的组件：柔性管材、可成型芯材、螺旋各向异性源和压力源。每个组件都可以独立选择和优化，互不干扰。

这种解耦设计带来了极大的灵活性。管材可以选择硅胶、EPDM、PVC、聚氨酯或尼龙等多种材料，弹性模量从0.88 MPa到230 MPa不等。芯材既可以是热塑性材料如尼龙，也可以是热固性材料如聚氨酯，甚至可以使用镍钛合金实现相变驱动。

螺旋各向异性的实现方式同样多样化。研究人员展示了三种主要方法：纤维增强、聚合物链取向和几何各向异性。纤维增强通过在管材表面螺旋缠绕不可延展的纤维实现；聚合物链取向通过冷拉伸使管材内部聚合物链沿螺旋方向排列；几何各向异性则通过特殊的管材横截面设计，如星形褶皱结构，实现径向易变形而螺旋方向刚性的特性。

实验数据表明，不同设计参数对HARP性能有显著影响。较软的硅胶管材压力敏感性高，适合低压驱动场景；较硬的聚氨酯管材虽然需要更高压力，但能提供更大的比功。芯材刚度则主要影响肌肉整体刚度和最大收缩率，需要在稳定性和性能之间权衡。

特别值得一提的是，HARP展现出了优异的尺度不变性。研究团队制作了不同尺寸的HARP肌肉，从几毫米到几十毫米不等，在归一化载荷下，所有尺寸的肌肉都表现出几乎相同的比功输出，这为HARP在从微型到大型机器人系统中的应用奠定了基础。

02.

适应极端环境的多样化性能

HARP的通用性不仅体现在设计参数的灵活性上，更体现在其能够适应各种极端和特殊应用场景的能力。

在耐磨性测试中，凯夫拉纤维增强的HARP能够承受2000 RPM电动砂轮的直接接触，中位生存时间达到263秒，而无增强版本仅能坚持19秒。这种出色的耐磨性使HARP能够在恶劣的工业环境中可靠工作。

材料选择还赋予了HARP自修复能力。使用尼龙芯材的HARP在受损后，可以通过热退火恢复原始形状，性能仅下降2%。这种可修复性对于长期部署的机器人系统至关重要。

在疲劳测试中，采用热塑性聚氨酯（TPU）芯材的HARP在10,000次循环后收缩率变化小于1%，而尼龙芯材版本也仅有4.5%的性能下降。TPU优异的疲劳性能源于其材料特性，能够有效抵抗循环载荷下的材料松弛。

高温应用方面，配备镍钛合金芯材的HARP能够在沸水中正常工作超过1小时。研究团队展示了一个在沸水中抓取物体的双指夹持器，证明了HARP在极端温度环境下的可靠性。更进一步，镍钛合金芯材还能实现相变驱动——通过电流加热芯材使内部液体沸腾产生压力，无需外部压力源。

批量生产能力是HARP走向实用的另一个关键优势。几何各向异性HARP可以通过旋转挤出工艺制造，研究团队在实验室条件下就实现了30厘米/分钟的生产速度。这种工艺与现有工业生产线兼容，成本可低至每米0.12美元。

03.

复杂机器人系统的实际应用验证

为了验证HARP在实际复杂系统中的表现，研究团队构建了两个具有挑战性的机器人平台：一个双段连续体机器人和一个无系留四足机器人。

连续体机器人需要满足五个苛刻要求：沿弯曲路径布线的能力、低迟滞、线性响应、高比功和低轴向刚度。通过系统性的参数优化，研究团队选择了硅胶70硬度的管材、0.8毫米尼龙芯材和纤维增强的组合。

这种配置实现了优异的综合性能：弯曲刚度仅10.49 N/m，允许肌肉沿机器人脊柱的弯曲路径布置；迟滞仅5.7%，非线性度5.6%，确保了精确的控制性能。最终构建的300毫米长连续体机器人实现了6.67 m⁻¹的最大曲率和90度的扭转能力，细长比达到3.75，超越了现有大多数人工肌肉驱动的连续体机器人。

四足机器人项目则展示了HARP在无系留移动平台上的潜力。这个794克重的机器人采用肌肉骨骼架构，16个HARP肌肉组分布在4条腿上，实现了0.16体长/秒的移动速度。

为了适应机载气动系统的限制，研究团队选择了35硬度硅胶管材，在0.24 MPa的工作压力下就能实现完全收缩。肌肉骨骼架构的采用不仅提供了杠杆优势，还使峰值地面反作用力降低了30%，展现了HARP固有柔顺性带来的冲击缓冲能力。

值得注意的是，这是首个采用人工肌肉和肌肉骨骼架构实现无系留行走的四足机器人。虽然速度还无法与最先进的电机驱动机器人相比，但HARP的柔顺性、低成本和易制造性为软体机器人开辟了新的可能。

研究团队已经将HARP的设计文件、制造平台和控制代码完全开源，任何研究者都可以复现和改进这项技术。随着材料科学和制造工艺的进步，HARP有望从实验室走向实际应用，成为推动下一代软体机器人发展的关键技术。

04.

广阔应用前景：从工业制造到太空探索

这项研究的意义不仅在于开发了一种高性能的人工肌肉，更在于提供了一个通用的设计框架，让工程师能够根据具体应用需求定制人工肌肉的性能。从需要耐磨性的工业机器人，到需要柔顺性的人机协作系统，再到需要轻量化的移动平台，HARP都能通过参数调整来满足需求。

凭借更小的体积、更轻的重量以及与生俱来的柔性安全特性，这类高顺应性肌肉装置可广泛搭载于各类机器人平台，彻底避免传统刚性机器人固有的挤压、夹伤风险。这种“一个框架，多种应用”的理念，也有望打破人工肌肉领域长期存在的“一种技术只适用一类场景”的局限。

孙杰锋教授表示，这类仿生肌肉在机器人领域拥有极为广阔的应用前景，覆盖农业作业、工业生产、医疗康复与外科手术、日常家居及园林服务等众多场景，未来更有望应用于太空探索任务。

未来研究团队还计划采用航天级材料进一步优化设计，为航天员与太空机器人提供更出色的移动能力、灵活度与运动易用性，让柔性驱动技术真正走向更广阔的极端环境与未来应用。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2529273123