《人形机器人的觉醒：技术革命与碳基未来》——类人关节设计：气动人工肌肉PAM及其对材料技术要求与限制

基于SSAM驱动的仿生手臂及其控制效果

一、气动人工肌肉的组成结构和性能特征

（一）组成与结构形式

1. 核心组件

弹性内胆：材料采用硅胶、天然橡胶或聚氨酯等柔性材料；主要功能在于密封气体，受压时径向膨胀。

约束层：采用高强度纤维编织网（如凯夫拉或尼龙），以螺旋或网状包裹内胆。主要作用是限制径向膨胀，将气压转化为轴向收缩力（类似生物肌肉的筋膜）。

端部接头：金属/聚合物接口，用于连接气源和负载（如机械臂关节）。

2. 典型结构形式

气动人工肌肉典型结构形式和应用场景

（二）工作原理

1. 充气过程：

压缩气体注入内胆 → 内胆径向膨胀 → 编织网束缚膨胀 → 网纤维角度变化 → 内胆轴向缩短（产生收缩力）。力学模型：收缩力

P：气压，D_0：初始直径，θ：编织网纤维与轴线的夹角。

放气过程：气体排出 → 内胆弹性回缩 → 肌肉恢复原长（被动伸展，依赖外部负载或拮抗肌）。

关键机制：编织网的几何约束是力转换的核心——气压增大时 θθ 减小，轴向力显著提升（非线性力-位移关系）。

（三）性能特征

气动人工肌肉性能特征

（四）气动人工肌肉对比其他驱动技术的优势

气动人工肌肉对比其他驱动技术的优势

（五）总结：前沿优化方向

1. 结构创新：

仿生编织网：模仿肌肉纤维排列（如斜向编织），提升收缩效率（韩国KAIST团队将应变率提升至40%）。

可变刚度设计：充气同时调节纤维张力，实现刚/柔模式切换（苏黎世联邦理工学院）。

仿生水凝胶

2. 材料升级：

自愈合橡胶：微胶囊修复剂嵌入内胆，延长寿命（MIT实验寿命提升300%）。

智能涂层：石墨烯涂层实时监测应变和压力（德国Festo公司）。

3. 集成化气源：

微型压缩泵：压电陶瓷驱动，集成到肌肉内部（哈佛微型机器人已应用）。

4. 结论

气动人工肌肉凭借高功率密度、本质柔顺性和环境鲁棒性，在机器人、医疗康复领域不可替代。尽管受限于气源依赖性和滞后效应，但通过仿生结构设计（如优化编织角度）与新型材料（自愈合聚合物），其性能边界持续突破。未来与软体传感技术结合（如电子皮肤嵌入），有望成为新一代协作机器人的核心驱动方案。

二、气动人工肌肉的比较优势及在人形机器人中应用前景

气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles, PAM）凭借其仿生特性和高动态性能，已成为人形机器人驱动方案的重要选项。

（一）比较优势：软体驱动的核心竞争力

1. 高功率密度与爆发力

功率密度达 200–400 W/kg，远超传统电机（100–150 W/kg），尤其适合跳跃、快速蹲起等爆发动作。波士顿动力Atlas的后空翻动作即依赖PAM的高瞬时出力。

输出力范围广（100 N–15 kN），通过增大直径或气压即可线性提升负载能力，适配不同关节需求。

SSAM驱动与传感等效模型及特性a为PAM

2. 本质柔顺性与安全性

气体可压缩性赋予PAM天然弹性，碰撞时自动屈服，降低人机交互风险。例如Protoclone机器人的1000余块气动肌肉使其动作流畅且具备类人缓冲特性。

过载保护机制：气压超限时编织网滑移，避免机械损坏，延长寿命。

3. 轻量化与环境适应性

核心材料为橡胶/凯夫拉纤维，重量显著低于金属电机。宇树G1机器人（35 kg）的关节轻量化设计部分受益于气动执行器。

耐潮湿、粉尘和电磁干扰，适用于工业、户外等复杂场景，优于电机系统。

4. 成本与维护优势

结构简单，材料成本低。波兰Protoclone通过模块化肌纤维（Myofiber）降低制造成本，目标定价面向家庭服务市场。

用于下肢外骨骼机器人的气动人工肌肉

（二）主要不足：技术瓶颈与商业化挑战

1. 气源依赖于系统笨重

需空压机、阀组和管路，导致整体系统体积庞大。Atlas早期液压版本因噪音和能耗问题转向电机驱动，但气动方案仍在特定场景保留。

2. 控制复杂性

滞后效应：充/放气路径的力-位移曲线不重合，定位精度仅±5%（电机可达±0.1°）。

非线性响应：收缩力受编织角度、气压、负载耦合影响，需高复杂度控制算法补偿。

3. 密封与耐久性问题

橡胶内胆长期使用易老化漏气。MIT提出自愈合橡胶（微胶囊修复剂）可将寿命提升300%，但尚未大规模应用。

4. 能效限制

系统效率约30–50%，低于电机（>80%），能量损耗主要来自气体压缩和管路摩擦。

一种非对称袋式气动人工肌肉

(三) 应用现状：典型机器人中的技术渗透

1. 技术渗透

下表对比主流人形机器人中PAM的应用特点：

主流人形机器人中气动人工肌肉应用特点

2. 实验室创新：

中国科大开发 自感知PAM（SSAM），集成互感线圈实现0.01 mm长度分辨率，用于仿蚯蚓机器人实时调整步态。

3. 量产进程：

2025年人形机器人进入“量产元年”，但PAM因气源限制主要应用于特定部件（如眼球、手指），全身驱动仍以电机为主（如特斯拉Optimus）。

（四）变化趋势：技术融合与轻量化突破

1. 自感知技术集成

中国科大SSAM通过多段线圈实现肌肉长度实时监测，消除滞后误差，未来将扩展至力-位混合控制。Festo的智能涂层（石墨烯）可同步监测应变与压力，提升闭环控制精度。

2. 结构创新提升性能

双曲面PAM（h-PAM）：东北大学设计双曲面橡胶管+直纤维编织层，短肌肉收缩率提升40%，适用于紧凑关节。

平面卷曲制造：上海交大仿肌纤维阵列PAM，通过选择性驱动气球实现弯曲/扭转多模态运动，拓展灵巧操作场景。

3. 混合驱动系统

PAM+电机互补：Optimus Gen 2在肩/髋部用旋转电机（大角度旋转），膝/肘用线性执行器（低功耗），兼顾效率与爆发力。

PAM+SMA：实验阶段结合形状记忆合金（SMA）的高力输出与PAM的快速响应，提升综合能效。

4. 材料轻量化与系统微型化

超高分子量聚乙烯纤维：恒辉安防研发的轻量化腱绳（密度<1 g/cm³）用于灵巧手传动，减重30%。

集成气源：哈佛微型机器人内置压电陶瓷气泵，消除外部管路，提升便携性。

三维打印人造肌肉

（五）小结：柔性驱动的不可替代性与演进路径

气动人工肌肉凭借高功率密度、本质安全性和仿生适配性，在情感交互（如眼球）、高动态动作（如跳跃）及人机共融场景中具不可替代性。然而，气源依赖和滞后效应制约其全面推广。未来突破将聚焦：

短中期：通过自感知技术（如SSAM）和混合驱动（PAM+电机/SMA）提升控制精度；

长期：依托可降解弹性体（如纤维素基材料）和微型化气源（压电泵）实现系统革新。

随着人形机器人向家庭服务、医疗康复领域渗透，PAM的“柔性特质”将成为突破刚性机器边界的关键支点，推动具身智能向生物兼容性演进。

模仿人体解剖结构的人形机器人

三、气动人工肌肉涉对所用材料性能的具体要求

气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles, PAM）的性能高度依赖材料技术，其核心组件需满足特定力学、化学及耐久性要求。

（一）核心材料分类及性能要求

1. 弹性内胆（密封与形变主体）

常用材料有硅橡胶（PDMS）、天然橡胶（NR）和热塑性聚氨酯（TPU）。PDMS生物相容性好，耐温范围广（-50~200℃）；NR高弹性（断裂伸长率>800%），低滞后损耗；TPU耐磨性强，可3D打印成型。性能要求：

弹性内胆对材料性能的具体要求与影响

2. 约束层（力传递与几何限制）

常用材料有高强度合成纤维和金属微丝编织网。金属微丝编织网由钛合金丝编织而成，耐腐蚀，适合医疗植入场景。高强度合成纤维有凯夫拉（Kevlar），抗拉强度≥3.6 GPa，密度1.44 g/cm³（轻量化首选）；还有超高分子量聚乙烯（UHMWPE），强度同凯夫拉，密度仅0.97 g/cm³（恒辉安防用于减重腱绳）。性能要求：

PAM约束层对材料性的要求与限制

3. 端部接头与密封件

材料：金属接头用7075铝合金（强度/重量比优）、316L不锈钢（耐腐蚀）；动态密封环一般采用氟橡胶（FKM，耐油耐高温）或全氟醚橡胶（FFKM，超低渗透性）等。

要求：密封件压缩永久变形率<20%（ASTM D395标准），保障10⁷次循环密封性。

液晶弹性体中空纤维作为人工肌肉

（二）材料性能对PAM的关键影响

1. 失效模式与材料解决方案

PAM失效模式与材料解决方案

2. 性能边界突破案例

高应变率需求：韩国KAIST团队开发 双曲面PAM（h-PAM），采用预拉伸TPU内胆+凯夫拉斜向编织（55°角），轴向收缩率提升至40%（传统McKibben型仅25%）。

快速响应优化：上海交大使用 超薄硅胶（50 μm）+ 直织UHMWPE纤维，响应时间缩短至30 ms（标准型>50 ms）。

四、气动人工肌肉材料技术进展及材料技术的局限性

近年来，材料科学的发展显著提升了PAM的驱动效率、环境适应性和功能集成度，但仍存在诸多瓶颈。

（一）气动人工肌肉材料技术的关键进展

1. 高性能弹性体开发

热塑弹性体（TPU/TPE）：西安工程大学研发的分腔式气囊单元采用TPU材料，通过独立腔室气压控制实现多自由度运动（弯曲、扭转），解决了传统模块拼接的冗余体积问题，同时提升响应速度和可靠性。

自愈合硅橡胶：MIT团队在硅胶内胆中嵌入双环戊二烯（DCPD）微胶囊，破裂后可修复划痕，寿命提升300%；动态键合橡胶（如呋喃-马来酰亚胺体系）通过加热实现可逆交联修复。

2. 智能复合材料与结构创新

凯夫拉/超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：北华大学实验表明，UHMWPE纤维（密度0.97 g/cm³）较传统尼龙减重30%，抗拉强度＞3.6 GPa。

碳纤维-TPU混编：苏黎世联邦理工学院开发的混编约束层，抗拉强度达4.2 GPa，适用于高负载关节。

石墨烯/碳纳米管涂层：Festo将石墨烯涂层应用于内胆表面，实现应变监测（精度±0.5%），同时降低摩擦损耗。

3. 仿生纤维约束层：

双曲面结构（h-PAM）：东北大学设计双曲面橡胶管+直纤维编织层，收缩率提升至40%（传统McKibben型仅25%），适用于紧凑空间。

4. 先进制造工艺突破

3D打印一体化成型：意大利理工学院利用软树脂一次打印18个GRACE执行器组成的气动手，重量100克，可支撑超自身1000倍的重量，实现手指弯曲、手腕扭转等多模态运动。

冰模板仿生结构：澳门大学“同心冰模板法”制备环向纤维水凝胶，含水量85%下抗压强度提升3倍，适用于水下驱动器和伪装机器人。

5. 多功能集成技术

自感知线圈（SSAM）：中国科大在波纹管结构中集成多段互感线圈，实现0.01 mm长度分辨率，消除滞后误差，应用于仿蚯蚓机器人的实时步态调整。

热-气协同驱动：清华大学开发的液晶弹性体中空纤维（LCEHF）结合热与气动刺激，收缩率达50%（单一刺激仅27-42%），响应速度提升3700倍，模拟人体二头肌运动。

（二）限制性能的材料与技术瓶颈

1. 弹性体材料的固有缺陷

气体渗透与密封失效：硅橡胶气体渗透系数＞10⁻¹² cm³·cm/cm²·s·Pa，长期使用导致气压维持困难；氟橡胶（FKM）虽渗透率低，但弹性模量过高（＞20 MPa），限制形变能力。

滞后与蠕变：天然橡胶滞后损耗＞15%，充/放气路径力-位移曲线分离，控制精度下降±5%；TPU在循环载荷下蠕变率＞2%，影响尺寸稳定性。

耐疲劳性不足：传统硅胶寿命仅10⁴-10⁵次循环（应变30%），远低于机器人关节的10⁸次需求。

2. 约束层材料的摩擦与磨损

凯夫拉纤维与橡胶界面摩擦系数＞0.2，导致编织网滑移能耗增加20%；长期摩擦引发纤维断丝，约束失效。

金属微丝编织网（如钛合金）虽抗蠕变，但重量密度＞4 g/cm³，抵消气动肌肉的轻量化优势。

3. 感知-驱动集成难度

传统应变传感器仅响应拉伸形变，无法监测收缩；嵌入导线增加刚性，破坏PAM的柔顺性。

4. 制造工艺限制

硅胶浇铸易产生气泡，良品率＜70%；3D打印软树脂的层间结合强度低，易分层开裂。

（三）理想材料的性能特征与设计原则

1. 理想材料性能特征

为实现接近生物肌肉的驱动性能，理想PAM材料需满足以下多维要求：

PAM理想材料性能特征

2. 理想材料体系设计原则：

梯度复合结构：内胆采用“硬-软”渐变设计（如3D打印TPU/PLA梯度材料），接头区域模量＞100 MPa，主体区域模量＜1 MPa，减少应力集中。

仿生纤维排布：模仿肌纤维环向排列（如澳大水凝胶的同心纤维），提升径向抗爆压能力（爆破压＞1 MPa）。

多刺激响应机制：如LCEHF的热-气协同效应，利用相变与取向转变叠加，突破单一刺激的性能极限。

（四）前沿新材料探索和技术创新

1. 生物融合材料

可降解弹性体：聚己内酯（PCL）/聚乳酸（PLA）共混体系，降解周期可控（30-180天），用于植入式医疗机器人。

细胞驱动复合体：哈佛大学“鳐鱼机器人”采用工程化心肌细胞+水凝胶支架，实现自主收缩。

水凝胶-PAM复合体：浙大仿水母肌肉实现83.3%含水量，驱动电压<1 kV。

2. 纳米增强与自感知智能响应

光热驱动涂层：金纳米棒掺杂硅胶（清华大学），近红外光触发局部形变，实现无线控。

液晶弹性体纤维：轴向排列LCE中空纤维实现50%收缩率，响应速度比纯气动提升3700倍。

石墨烯/碳纳米管涂层：涂覆于内胆表面，电阻应变灵敏度（GF）>50，实时监测形变（Festo实验精度±0.5%应变）。

压电聚合物（PVDF）薄膜：嵌入编织层，将机械能转为电信号，实现无源力传感。

3. 可持续制造技术

天然橡胶替代：蒲公英橡胶（Taraxacum kok-saghyz）提取，降低石油依赖。

回收再造工艺：欧盟CircularPAM项目热解回收碳纤维，重制约束层，成本降低40%。

4. 微型化与集成系统

压电陶瓷气泵：哈佛微型机器人内置压电泵（尺寸＜1 cm³），消除外部管路。

摩擦纳米发电机（TENG）：将机械能转为电能，驱动DEA实现无限续航（仿生水母方案）。

3D打印梯度材料：硬质接头向软质内胆的模量渐变结构，减少应力集中（惠普MJF技术已实现）。

光热响应涂层：金纳米棒掺杂硅胶，近红外光触发局部形变，实现无线驱动。

5. 自愈合材料：

微胶囊修复剂：MIT团队在硅胶内胆中嵌入双环戊二烯（DCPD）微胶囊，破裂后释放修复剂，寿命提升300%。

动态键合橡胶：基于Diels-Alder键的可逆交联网络（如呋喃-马来酰亚胺体系），80℃加热5分钟修复划痕。

6. 新一代约束层材料：

轻质高性能纤维

用作PAM约束材料的高性能纤维

7. 环境适应性材料——极端工况适配：

耐低温橡胶：氢化丁腈橡胶（HNBR，-50℃保持弹性），用于极地探测机器人。

抗辐照涂层：聚酰亚胺（PI）包覆层，耐受太空UV辐射（国际空间站测试）。

8. 可持续性革新

天然橡胶替代：蒲公英橡胶（Taraxacum kok-saghyz）提取，减少石油依赖。

回收增强技术：废弃PAM经热解回收碳纤维，重制约束层（欧盟CircularPAM项目）。

（五）总结

气动人工肌肉的材料技术正从被动形变向智能响应-自愈合-环境自适应演进。短期突破在于纳米复合弹性体（如石墨烯/TPU）与仿生约束结构（环向纤维水凝胶、双曲面编织）；长期需解决气源微型化（压电泵集成）与生物兼容性（可降解材料）。未来突破取决于：

高分子合成：定制化弹性体（如拓扑结构优化橡胶）；

纳米复合：石墨烯/碳管增强界面性能；

仿生设计：模仿肌筋膜层级结构（如胶原纤维取向）。

通过材料-结构-制造协同创新，PAM有望在应变率（>50%）、寿命（>10⁸次）及系统集成度上跨越瓶颈，为人形机器人提供更接近生物肌肉的驱动解决方案。

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