其實人造肌肉這個名字起得不是很好，更妥帖的名字應(yīng)該叫電活性智能材料。因為我是做水下機器人方向的，所以接下來的舉例我就以水下機器人為例了。在這之前，需要來說說相關(guān)概念。

對于電力驅(qū)動的機器人的驅(qū)動機構(gòu)（actuator）來說，大體可以分為兩種：一種是純機械驅(qū)動，一種是智能材料驅(qū)動。

純機械驅(qū)動自然就是依靠數(shù)字舵機和步進電機等，這些直接依靠機械結(jié)構(gòu)的配合與運轉(zhuǎn)來驅(qū)動機器人身體部位運動的驅(qū)動系統(tǒng)來運作。

其中，數(shù)字舵機和步進電機都是電機的一種，也俗稱馬達。它們的主要作用都是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為電器或各種機械的動力源。數(shù)字舵機只需要發(fā)送一次PWM信號就能保持在規(guī)定的某個位置，但是轉(zhuǎn)動范圍有限，多為180度或者360度；而步進電機則不能實現(xiàn)位置控制，但是卻可以沿著一個方向一直轉(zhuǎn)動。所以，將馬達應(yīng)用在機器人的關(guān)節(jié)等活動處，可以輕松實現(xiàn)機器人所需要的運動。

而智能材料驅(qū)動就是依靠類似于SMA (shape memory alloy)、EMA (electromagnetic actuation)、IPMC (ionic polymer metal composite)這些智能材料通電或者溫度變化產(chǎn)生的形變產(chǎn)生驅(qū)動力而進行運動。

SMA的中文名叫形狀記憶合金，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發(fā)生的形變，恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。它可以用于報警器的控制元件以及記錄筆的驅(qū)動裝置等。

EMA即電磁驅(qū)動，其原理也十分簡單，導(dǎo)體相對于磁場運動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與原磁場相互作用使導(dǎo)體運動起來，這就是電磁驅(qū)動。由于電磁產(chǎn)生的力相對較小，所以EMA多應(yīng)用于并不需要太大力即可驅(qū)動的情況。IPMC的中文名叫離子聚合物金屬復(fù)合材料，由于其較低的驅(qū)動電壓即能產(chǎn)生較大的位移變形，所以在機器人領(lǐng)域使用得較多一些，接下來我也會通過實例對這種材料進行說明。

雖然表面上，智能材料驅(qū)動是機器人驅(qū)動領(lǐng)域的一塊新大陸，似乎可以通過對其深入挖掘和大規(guī)模的使用而大大減小機器人體積，改造其冰冷的機器外形。然而，智能材料的形變量相對于機械驅(qū)動來講卻十分有限，精度也不夠，所以很遺憾地告訴你，所謂的“人造肌肉”在機器人領(lǐng)域的適用范圍真的很小。

下面我就以IPMC (ionic polymer metal composite)為例，稍微說明一下。

IPMC這種材料的特點就是，你只要對它通電，它就會產(chǎn)生形變。

一般是對IPMC厚度方向施加電壓時，IPMC會向陽極彎曲，原理見下圖。那人們自然可以利用這個特點：通電——形變——驅(qū)動，把他用在機器人身上，讓它產(chǎn)生相應(yīng)的運動。而且這種材料體積小，質(zhì)量輕，能夠產(chǎn)生大運動，并且不需要軸承和滑動部件，驅(qū)動電壓低。這些特點看起來，當(dāng)然要好過電機那個大個頭，可以減少占地空間。

但是這個肌肉的的另一個特點與機器人控制上的一個重要需求有所相左，就是控制上不太好操作。

一個數(shù)字舵機只要給一個占空比，就能讓它轉(zhuǎn)到我們需要的位置。但是IPMC的形變卻是一個非線性過程，需要我一點點地標(biāo)定才能最后投入使用。而且他的形變量也十分有限，最大的也只能從直的狀態(tài)彎成九十度，還有一個弧度，不甚理想。

所以，這樣的智能材料可以用在控制精度不太高的地方。

例如我想控制一個機器人，讓它模仿水母的噴射式推進模式一張一縮的，也不需要非得控制到張開多少，收縮多少，只要能張縮，讓機器人游起來就行，這樣的領(lǐng)域智能材料倒是可以占據(jù)一席地位。2012年美國Virginia Tech智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中心的Joseph Najem等人就利用IPMC作為驅(qū)動器，以維多利亞多管發(fā)光水母為原型，設(shè)計制作了仿生機器水母，物理樣機見下圖。

(a) 機器水母物理樣機(b)實驗裝置

機器水母有一個可熱縮的高分子膜構(gòu)成的柔韌的腔體，一個中心柱，一個用于接線和支撐驅(qū)動器的平臺，8個用于保持上部穩(wěn)定的桅桿和呈放射狀的IPMC驅(qū)動器。該機器水母重20g、直徑15 cm、高5.8 cm。由于IPMC材料在電場作用下會產(chǎn)生彎曲變形，可以構(gòu)建這種驅(qū)動器來模擬水母腔體的收縮和擴張過程，但是遺憾的是這只機器水母的速度只有0.77mm/s，速度之小令人很是失望。 

總而言之，大多數(shù)的機器人控制中，控制精度是一個重要指標(biāo)，而且鑒于運動范圍比較小，所以所謂的人工肌肉并不能得到大面積的使用。

編者注：以上2張圖片來源——

1、IPMC材料：Bhandari B, Lee G Y, Ahn S H. A review on IPMC material as actuators and sensors: Fabrications, characteristics and applications[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2012, 13(1):141-163.

2、 機器水母物理樣機實驗裝置：Najem J, Leo D J. A bio-inspired bell kinematics design of a jellyfish robot using ionic polymer metal composites actuators[C]. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health MonitoringInternational Society for Optics and Photonics, 2012.

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。