电永磁肌肉：高效节能、低电压、体积小巧的磁性执行器，可用于为可穿戴设备和无需外部连接的机器人提供动力

人工肌肉通过软磁和硬磁材料组合的电磁致动器系统实现便携式双稳态驱动，仅需状态切换时供电，显著降低能耗。该系统在假肢手部和两栖机器人应用中验证了其低电压（15-36V）、高应力（432kPa）和高效能（最高20%）特性，适用于穿戴式设备和无绳机器人。

　　
近年来，人工肌肉技术因其独特的生物相容性和高效驱动特性，在仿生机器人、假肢及可穿戴设备领域备受关注。然而，传统技术普遍存在高电压需求、低能效或机械复杂等问题。本文提出了一种基于电磁双稳态原理的新型人工肌肉驱动系统，通过软磁与硬磁材料的协同作用，实现了低功耗、高可靠性的运动控制，为便携式智能装备提供了创新解决方案。

### 技术背景与核心创新
传统人工肌肉主要依赖电活性聚合物（EAP）、形状记忆合金（SMA）和气动人工肌肉（PAM）三种技术路线。EAP需要高压电场（可达10 kV），存在安全隐患；SMA存在响应速度慢（10-60秒）、能耗高等缺陷；PAM虽能实现零功耗保持，但依赖外部气泵和复杂密封结构。这些局限性导致现有技术难以满足可穿戴设备对轻量化、低功耗和小型化的迫切需求。

本研究突破性地将电磁永磁技术（Electropermanent Magnet, EPM）与人工肌肉结合，开发出基于双稳态磁耦合的驱动系统（图1）。其核心创新在于：1）采用低矫顽力软磁体（AlNiCo）与高剩磁硬磁体（NIB）的异质组合，实现可控的磁致伸缩效应；2）通过脉冲磁场触发双稳态切换，仅需0.1-1.5秒的瞬时供电即可维持持续力输出；3）构建自锁磁路，消除传统电磁机构中的机械锁定部件，使系统重量减少70%以上。

### 系统设计与性能突破
#### 材料体系与磁学特性
系统采用AlNiCo（铝镍钴）作为软磁体，其矫顽力低至200-300 Oe，剩磁强度达5000-6000 Oe；配合N35型钕铁硼（NIB）硬磁体，形成磁导率差异达两个数量级的异质结构。这种材料组合使系统在15-36V低压下即可实现磁通方向的快速切换（图2）。

实验表明，磁体直径与长度比直接影响输出特性：直径5mm、长度22mm的AlNiCo与相同尺寸NIB组合时，可产生432 kPa的应力（相当于人类肌肉的20%），同时保持10-25%的应变范围。通过优化磁体几何参数，系统在同等体积下输出功率密度达22 kJ/m3，超过多数气动人工肌肉。

#### 动力机制与能效优化
系统采用双脉冲驱动策略：正向脉冲（+15V，50ms）使软磁体饱和磁化，形成强吸引力；反向脉冲（-15V，30ms）通过退磁化释放能量。这种设计使得：
1. **零功耗保持**：磁耦合自锁机制使系统在无外力作用下维持收缩状态，能耗仅为0.5-2.5 mJ次。
2. **快速响应**：在空气介质中，从脉冲触发到最大力输出的时间仅40-110 ms，响应速度优于90%的现有EAP。
3. **多模态控制**：通过调整磁体阵列的极性组合，可输出五种基本运动模式（图3）。

对比实验显示，该技术功耗仅为传统电磁驱动系统的1/20。例如在假肢应用中，维持单指抓握所需的能量仅为0.8 mJ，而商业气动肌肉需消耗3.2 mJ。

### 应用验证与性能对比
#### 1. 智能假肢系统
集成于仿生假肢的4组EPMM驱动器，采用8字形磁路布局（图4a），通过光纤传导实现各指独立控制。测试数据显示：
- **单指抓力**：峰值达15 N（相当于3公斤负荷）
- **保持功耗**：0.2 W（低于市售肌电假肢的60%）
- **耐久性**：连续2000次抓握测试后仍保持92%的初始性能

该系统成功实现：无需持续供电即可保持抓握状态（图4c），通过单次脉冲即可完成从抓握到释放的全过程，且具备自诊断功能（图4f显示能量消耗对比）。

#### 2. 两栖机器人平台
针对水下/陆地双模态运动需求，开发出新型磁路拓扑（图5a）：
- **水生模式**：8组EPMM驱动器呈放射状排列，通过周期性极性反转产生摆动频率1.1 Hz的推进运动，单次循环耗能0.17 J（对比电动马达的0.22 J）
- **陆行模式**：采用四边形磁路阵列（图6b），通过磁极偏置实现步态调整，移动速度达5 cm/s（相当于2.5 km/h）

系统创新点包括：
- **模块化设计**：驱动单元可单独更换，支持个性化配置
- **环境自适应**：通过改变脉冲参数，可在水中（黏滞系数1.3×10?3 Pa·s）和空气中（0.018 Pa·s）保持稳定输出
- **无线控制**：采用IrDA协议实现2米范围内的无线指令传输（图6c）

### 技术经济性分析
通过构建包含9项关键指标的对比体系（表1），可见EPMM在多项指标上超越现有技术：
- **能量密度**：3.8 J/kg，接近天然肌肉（4.0 J/kg）
- **体积效率**：工作密度达22 kJ/m3，优于商业PAM系统（18 kJ/m3）
- **系统成本**：硬件制造成本为$85/套（含3D打印结构），较同类电动驱动系统降低60%

特别在穿戴设备应用中，系统总质量（0.8 kg）仅为传统肌电假肢（2.3 kg）的35%，且无需外接电源包。

### 潜在改进方向
尽管取得显著突破，仍存在可优化空间：
1. **材料升级**：采用钐钴（SmCo）硬磁体可将剩磁提升至8000 Oe，理论上可使应力增加40%
2. **结构优化**：通过拓扑优化可使磁路空间利用率提升至92%（当前为78%）
3. **智能控制**：集成机器学习算法，实现根据环境压力（0-500 kPa）自动调节脉冲参数

### 结论
该研究首次实现了基于电磁双稳态原理的紧凑型人工肌肉系统，在能量效率（20% vs SMA的5%）、体积重量比（质量密度0.8 kg/L，工作密度22 kJ/m3）等关键指标上达到行业领先水平。其核心价值在于：
1. **突破能效瓶颈**：通过磁路自锁机制，将保持功耗降低至0.1 mW级别
2. **实现多模态运动**：单套驱动器可输出推、拉、弯曲、扭转等七种基本运动
3. **生态友好性**：采用环保型环氧树脂封装，符合欧盟RoHS指令

该技术已通过ISO 13485医疗器械认证，并开始与 prosthetic hand manufacturers合作开发新一代智能假肢。后续研究将聚焦于开发耐腐蚀磁体（海水环境应用）和集成无线能量传输模块（实现完全自供电）。