人工肌肉是一种可以在外界刺激下产生机械变形或运动的智能材料和器件的总称。其中电热驱动纤维基人工肌肉以其简单的控制方法、卓越的机械性能、灵活的集成方式、低廉的制造成本等独特优势，正逐步成为柔性机器人、智能纺织品、可穿戴技术的新型潜在动力源。然而，传统的电热驱动纤维基人工肌肉正面临着一个关键瓶颈：随着直径的增加，人工肌肉在加热驱动后的恢复速度显著下降，这极大影响了人工肌肉的循环驱动性能，限制了其在需要快速和重复应用中的实用性。
近期，天津大学穆九柯教授团队联合东华大学朱美芳院士团队提出了一种集成热管理、传感、驱动功能的新型人工肌肉系统。通过引入大比表面电极，开发了一种先进的柔性管状流体泵，并将该流体泵与人工肌肉集成，制备了具有并联和串联两种配置的新型流体泵冷却人工肌肉系统。集成系统成功将冷却时间缩短到原来的九分之一，并将输出功率密度提高了3倍，将有效致动频率范围扩大了3.5倍。此外，通过在人工肌肉表面集成电阻传感层，实现了对人工肌肉驱动过程的实时可视化监测。
相关工作以“Integrated Thermal Management-Sensing-Actuation Functional Artificial Muscles”为题发表在Material Horizons。该文章共同第一作者为天津大学硕士研究生王路峰和博士研究生杨世举，通讯作者是天津大学穆九柯教授和东华大学朱丽萍研究员。研究团队通过引入自驱动型流体泵极大地提高了人工肌肉系统的冷却效率。该泵通过在非对称布置的电极上施加电场，引发了泵内驱动液体的电离。液体电离产生的阴离子在电场的驱动作用下向正极移动，从而带动流体产生定向流动。研究团队通过引入大比表面碳纳米材料增强型电极与优化泵体电极结构，增大了驱动液体与电极的接触面积，从而提高了液体电离的效率，最终使流体泵的流速和压力在1kV到6kV下分别提高了2-8倍和2.5-6倍。
进一步，基于流体泵和人工肌肉的管状共性结构，研究团队将流体泵与人工肌肉相结合，创建了具有串联与并联两种配置的流体泵冷却人工肌肉集成系统。研究发现，虽然并联配置的集成度相对较高，但是在并联型流体冷却人工肌肉中，冷却系统的冷却效率极大的受到驱动系统长度的限制，且冷却系统的存在会降低整体的刚度从而导致人工肌肉驱动能力的下降。然而，串联型流体冷却人工肌肉首尾相接的配置方式在保留驱动能力的同时，可通过改变冷却系统的长度较为方便地调整系统的冷却效率。
图2 串联与并联流体冷却人工肌肉驱动过程示意及热管理热成像图研究团队探讨了流体泵冷却人工肌肉系统驱动部分的结构参数对其机械性能、驱动性能的影响，为实际应用中结构优化提供了参考依据。
同时，研究团队利用涂层技术，将传感层直接结合到人工肌肉纤维表面，实现了人工肌肉表面传感层的原位集成，反映了天然肌肉和传感神经元的双重功能。在保证人工肌肉灵活性的前提下，通过监测驱动过程中复合材料传感层电阻的变化，对人工肌肉的驱动过程进行了可视化处理。
研究团队基于集成系统的性能优势和独特特征，探索了其在功能复合材料、轻质致动机构和机器人部件中的潜在应用。基于人工肌肉的功能复合材料显著提高了结构材料承受温度变化的能力，轻质致动机构和机器人部件证明了人工肌肉出色的运动可控性，为人工肌肉在先进机器人系统和仿生应用中的使用拓展了道路。
综上所述，本研究通过集成冷却系统和复合材料传感层，解决了大直径人工肌肉冷却速率慢与难以可视化的难题，增强了它们在动态环境中的适应性和功能性，展现了人工肌肉在智能响应复合材料和机器人系统中的巨大应用前景。
原文链接:
https://doi.org/10.1039/d4mh01303d
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