尽管目前各类软体机器人的设计已经取得了重大进展，但在许多方面它们仍旧不如真实的动物那样灵巧。在动物体内，灵巧的运动过程依赖于运动单元来实现。运动神经元和其所控制的相关肌肉构成了所谓的运动单元。其中运动神经元负责接收控制运动的神经信号，并随后完成对相应肌肉纤维的收缩控制。但是用于软体机器人系统的人工运动单元还远远没有被充分开发。最近，加州大学圣地亚哥分校 (University of California San Diego)的蔡盛强教授和他的团队报道了一种电致控制的高性能仿生运动单元，弥补了大部分软体驱动器缺乏优秀综合性能的遗憾。通过整合不同的外部传感器，研究者们可以构建不同的人工神经肌肉仿生系统，从而为更加灵活的软体机器人系统设计或者模拟真实动物行为提供了新的可能。 ▲图a为生物体内神经-肌肉系统，图b为使用人工运动单元构建的人工神经-肌肉系统，图c与图d的对比展示了两者之间高度相似的优异性能 人工运动单元（motor unit） 为构建灵巧的人工运动单元，研究者们使用了“液晶弹性体”（liquid crystal elastomer，LCE）作为主要的驱动材料。当温度改变时，LCE材料可通过相变产生可逆的收缩行为，从而实现了对动物肌肉的模拟近似。为了便于进行系统集成，LCE的温度改变一般通过电致加热来实现。但是，传统将电热丝埋入LCE的电控驱动器反应速度很慢，响应时间通常在1分钟左右，甚至高于1分钟，远不能满足对于即时控制有很高要求的人工运动单元的设计需求。为了解决这个问题，研究者们采用了一种全新的设计：即在超薄LCE薄膜（厚度约10μm）的顶部制备一层具有波浪形褶皱的可拉伸金膜电阻（厚度约40nm），以电阻产生的焦耳热来控制LCE的温度。由于新的设计显著降低了结构厚度，从而降低了热惯性，故而能够显著地增加其响应速度。 ▲人工运动单元的制备过程示意图 快速响应与高性能综合表现 由于超薄LCE结构的极小热惯性，在循环驱动模式下可以实现高频可控的快速收缩与回复。下面的视频展示了在不同频率（2~8 Hz）的电压激励下，人工运动单元的快速收缩与回复过lmtoken官方下载程： 在动态测试的实验中，人工运动单元的最大驱动应变可达45%，应变速率高达750％/s，并且输出功率密度高达1360 W/kg。在各个主要驱动指标上均达到或超过了人类肌肉。 ▲人工运动单元与人类肌肉在驱动应变、驱动应力、imtoken钱包官方带宽、应变速率、功率密度和能量密度各个指标比较的雷达图。 敏捷的仿生神经-肌肉控制系统 最后，研究者们使用人工运动单元完成了多个神经-肌肉仿生系统的原型展示。下图所示为一个开环控制的自由落体物体抓取系统。其设计灵感来自于使用直尺进行人体基准反应时间的小测试。研究者们使用了光学传感器来模拟人的眼睛，并使用了人工运动单元来模拟真实运动单元的工作过程。一旦掉落的小球挡住了LED光源，光学传感器会即时触发LCE的收缩以捕捉掉落的小imtoken官方下载球。整个过程类似于大脑通过视觉反馈控制手指运动来抓住下落的直尺。这一人工神经肌肉系统的反应时间可达0.1秒，与人类的平均反应时间（0.2秒）相当，验证了新型人工运动单元的高度灵巧性。 ▲图a：使用直尺进行人体基准反应时间测试，图b：使用基于人工运动单元实现捕捉自由落体物体的开环控制系统示意图，图c：捕捉物体的实验过程，该系统的反应时间（0.1秒）可与人类（0.2秒）相媲美 在开环控制的基础上更进一步，研究者们展示了基于PID控制算法的闭环控制系统。为了演示闭环控制的有效性，研究者们在人造手臂的末端放置了不同重量的载荷（0.4克或0.7克）。结果显示，通过有效的PID控制，关节角度可以在几秒钟内快速稳定到设定值（100°）附近，显著地快于之前的类似系统。 ▲基于人工运动单元与PID控制算法实现主动闭环控制。图中可见在施加不同的外部扰动的情况下，上臂与前臂之间的关节角度始终保持在设定点附近 由于研究者们所设计的人工运动单元与大多数电子设备直接兼容，这意味着人们可以将这一全新的人工运动单元与各类通用传感器和电子控制系统集成起来，从而可以轻松构建各类人工神经肌肉仿生系统或软体机器人控制系统，完成多种多样的高度灵活的运动控制。 以上成果以Liquid Crystal Elastomer Based Dexterous Artificial Motor Unit为题近期发表于Advanced Materials期刊上，文章第一作者为加州大学圣地亚哥分校（UCSD）汪洋博士，通讯作者为加州大学圣地亚哥分校（UCSD）蔡盛强教授和首尔国立大学Yong-Lae Park教授。 --纤维素推荐-- 参考文献：Wang, Y., He, Q., Wang, Z., Zhang, S., Li, C., Wang, Z., Park, Y.-L. and Cai, S. (2023), Liquid Crystal Elastomer Based Dexterous Artificial Motor Unit. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2211283.https://doi.org/10.1002/adma.202211283 来源：高分子科学前沿 声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！