软体机器人上超低压驱动的高性能人工肌肉
近年来，可以响应外部刺激而改变自身形状或大小的人造肌肉已在软体机器人等领域受到了极大的关注。在当前的人造肌肉中，离子电活性聚合物（IEAP）执行器由于其良好的柔韧性、易加工性以及快速的响应时间而得到了广泛的研究。已有许多研究开发了一系列以聚偏二氟乙烯（PVDF）或全氟磺酸（nafion）为离子电解质膜的IEAP执行器，但是该类执行器往往展现出较低的弯曲应变，且成本高、生物相容性差。因此，具有广阔的弯曲应变、快速的响应时间和出色的驱动耐用性的超低压高性能生物人工肌肉的开发，对于推动软机器人、生物医学设备、柔性触觉显示器和可穿戴电子产品的应用非常重要。
韩国全南大学Eunpyo?Choi、Jong-Oh?Park和浙江理工大学李秦川教授等人报道了一种基于功能性羧化细菌纤维素（FCBC）和聚吡咯（PPy）纳米粒子的新型高性能、低成本的生物人工肌肉。在0.5?V的超低谐波输入下，该肌肉能实现0.93%的大弯曲应变、长驱动弯曲耐久性（96%保持5h）、高达10Hz的宽频带、快速响应时间（≈4?s）、高能量密度（6.81?KJ?m?3）和高功率密度（5.11?KW?m?3）。作者利用该肌肉实现了抓斗机器人、仿生医疗支架、仿生花卉、翅膀振动等仿生应用，为下一代软生物电子学（包括仿生机器人技术、生物医学微设备和可穿戴电子产品）开发高性能生物人工肌肉提供了可行的方法。
【FCBC-PPy-IL的制备和表征】
作者设计了基于FCBC、PPy纳米颗粒和IL（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸酯）的高性能超低压生物人工肌肉（图1a）。Py在FCBC纳米纤维表面上进行氧化聚合反应得到的高度多孔且导电的FCBC-PPy纳米复合材料。然后通过FCBC-PPy与IL的快速干燥浇铸进一步得到FCBC-PPy-IL纳米生物复合膜。该膜具有超细的纳米纤维结构（图2a），PPy纳米颗粒能均质地沉积在单个FCBC纳米纤维上，从而形成了连续的导电路径。FCBC-PPy-IL纳米复合材料的表面显示出离子交联的网络结构，该结构由高度多孔的FCBC-PPy纳米复合纤维和嵌入良好的IL组成。
图1?FCBC-PPy-IL离子交联纳米复合材料的合成
图2?FCBC-PPy-IL纳米生物复合膜的形态表征
【FCBC-PPy-IL生物人工肌肉的驱动性能】
图3a显示了低正弦电压（±0.5?V）下FCBC-PPy-IL执行器的弯曲位移，其最大弯曲位移约为±6.9?mm，分别是FCBC-IL和BC-IL执行器的4.6和9.8倍。接着，作者连续进行了5小时的弯曲试验（图3d），结果表明FCBC-PPy-IL执行器具有出色的执行耐久性，不会出现明显的位移降低和响应失真，其峰值位移仍能保留96％。由此可见，该执行器可以为长期运行中的离子迁移和电荷转移提供恒定的导电路径。此外，该执行器显示出相对更快的响应时间（≈4s），其最大能量密度高达6.81?KJ?m-3，最大功率密度为
5.11?KW?m-3。其电化学机械性能的增强归因于均匀涂覆在FCBC纳米纤维表面的高导电PPy纳米颗粒的协同作用以及FCBC、PPy和IL之间的强离子相互作用。这些结果表明，所提出的执行器可以在超低输入电压下有效运行。
图3?FCBC-PPy-IL执行器的性能
【在仿生软体机器人上的运用】
作者利用基于FCBC-PPy-IL的执行器开发了各种软机器人（图4a-d）。首先制造了用于抓取物体的抓斗机器人（图4a）。该机器人可以迅速抓住、提起、运输和释放一个物体。当施加1.0?V的输入电压时，仿生臂被驱动并抓住物体，然后移至目标位置并释放对象。作者还设计了基于螺旋FCBC-PPy-IL执行器的仿生医疗支架（图4b），可以通过生物医学智能系统施加的电压和频率来控制仿生医疗支架的半径。此外，作者设计并制造了仿生花
（图4c）以及模仿蝴蝶翅膀振动的飞行机器人（图4d）。因此，新设计的超低压高性能FCBC-PPy-IL执行器将在生物人工肌肉、机器人技术、生物医学设备和可穿戴电子产品领域具有巨大潜力。
图4?FCBC-PPy-IL执行器的应用
总结：作者报道了一种基于FCBC、PPy和IL的新型超低压高性能离子生物人工肌肉。该人工肌肉在0.5?V的超低谐波输入下表现出惊人的驱动性能，包括0.93％的大弯曲应变、宽频带宽（高达10?Hz）、长驱动耐久性（96％持续5?h），并具有出色的生物相容性。作者预计该基于FCBC的生物人工肌肉及其软机器人设计将促进下一代生态友好型人工肌肉的发展，并有望推进软机器人、可穿戴设备和生物医学电子产品的应用。
软体机器人上超低压驱动的高性能人工肌肉
