生物體可以感知外部刺激并通過神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織的協(xié)同作用對環(huán)境做出反應(yīng)。例如，蝸牛的觸角在被觸摸時會產(chǎn)生收縮，這種應(yīng)激性反應(yīng)有助于蝸牛避免突然的危險，并增加其對環(huán)境變化的適應(yīng)性。隨著軟體機(jī)器人的快速發(fā)展，利用這種簡單的融合系統(tǒng)，可以使未來機(jī)器人更加智能和逼真。此外，結(jié)構(gòu)緊湊的多功能人工肌肉纖維有望簡化傳統(tǒng)的機(jī)械傳動單元、力傳感器和圖像識別模塊等多組件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)感知-驅(qū)動功能一體化，從而輕便和靈活化軟體機(jī)器人的感知與驅(qū)動單元。

　　在人工肌肉纖維中集成感知功能以適應(yīng)環(huán)境的變化和實(shí)現(xiàn)路徑的實(shí)時追蹤是非常必要的，但由于人工肌肉纖維驅(qū)動層和傳感層之間的界面不匹配，仍然具有挑戰(zhàn)性。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究團(tuán)隊在先前工作的基礎(chǔ)上，受蝸牛觸角啟發(fā)，提出了人工神經(jīng)肌肉纖維的概念。通過將CNT纖維芯依次包裹在硅膠彈性體層、納米纖維網(wǎng)絡(luò)和MXene/CNTs薄鞘中的精巧同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究人員使得人工神經(jīng)肌肉纖維在同一根纖維上實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動-感知-反饋的功能。精巧的結(jié)構(gòu)集成中最關(guān)鍵是使用了納米纖維界面，其輔助傳感層實(shí)現(xiàn)了動態(tài)自適應(yīng)追蹤驅(qū)動過程但又不限制肌肉纖維的驅(qū)動行程。這項工作為未來小型化智能軟體機(jī)器人的閉環(huán)控制提供了創(chuàng)新的解決方案。

　　人工神經(jīng)肌肉纖維精巧的同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中，CNT/硅膠彈性體組件提供了驅(qū)動功能，而鞘層三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由于其靈敏的應(yīng)變阻值變化特性，實(shí)現(xiàn)了觸摸/拉伸感知和無滯后的循環(huán)驅(qū)動追蹤功能。作為一個整體，該同軸結(jié)構(gòu)建立了一個介電電容器，實(shí)現(xiàn)了靈敏的非接觸感知功能。

　　接近感知信號在不同接近速度下的敏感性可以用來感知外部行為是友好的還是危險的。例如，在日常生活中，握手動作是一個相對較慢的過程，可以通過低接近速度的感應(yīng)信號來識別；相反，擊打動作是一個相對較快的過程，可以通過高接近速度的感應(yīng)信號來識別。人工神經(jīng)肌肉纖維識別接近信號速度的能力，對于未來的智能機(jī)器人采取一系列環(huán)境適應(yīng)行為非常重要。

　　人工神經(jīng)肌肉纖維在驅(qū)動全過程中實(shí)現(xiàn)了無遲滯的路徑追蹤功能。無遲滯的路徑追蹤意味著無論人工神經(jīng)肌肉纖維是收縮還是恢復(fù)狀態(tài)，纖維的位置狀態(tài)都可以通過鞘層的相對電阻變化來識別。目前報道的自傳感人工肌肉纖維的驅(qū)動和反饋信號之間普遍存在遲滯性問題，這導(dǎo)致很難區(qū)分人工肌肉纖維的位置狀態(tài)，因?yàn)橐粋€相對電阻變化值可能對應(yīng)于一個驅(qū)動周期中的兩個或多個不同的位置狀態(tài)。由于螺旋狀人工肌肉纖維在驅(qū)動過程中的結(jié)構(gòu)變化非常復(fù)雜，可能包括扭轉(zhuǎn)、膨脹和彎曲，因此原位復(fù)制結(jié)構(gòu)形變對于鞘層去追蹤驅(qū)動的變化是非常重要的。本工作中，引入人工神經(jīng)肌肉纖維的三維多孔納米纖維層的作用不僅是增加了與MXene/CNT鞘層的結(jié)合，而且提供了對PDMS層驅(qū)動過程中實(shí)時的原位形變復(fù)制功能。

　　模擬生物體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，研究探索了利用按壓、拉伸和接近的多模態(tài)感知信號來觸發(fā)人工神經(jīng)肌肉纖維進(jìn)行工作的應(yīng)用場景。在結(jié)合電路控制設(shè)計的起重機(jī)模型中，當(dāng)人工神經(jīng)肌肉纖維通過觸摸（或接近）進(jìn)行短暫的外部刺激時，該纖維可以檢測到電阻的變化（或電容的變化）。一旦激發(fā)信號達(dá)到設(shè)定的閾值，人工神經(jīng)肌肉纖維被觸發(fā)收縮，通過杠桿臂提升物體。同時，通過人工神經(jīng)肌肉纖維鞘層的相對電阻變化，物體運(yùn)動和纖維工作過程中的位置變化被原位追蹤。

　　相關(guān)工作發(fā)表在Science Advances上。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

　　論文鏈接

集成感知-驅(qū)動-反饋功能的人工神經(jīng)肌肉纖維的概念示意圖

人工神經(jīng)肌肉纖維的應(yīng)用場景展示