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为解决扭曲尼龙致动器（TNAs）性能局限，研究人员提出 3 种策略，提升其性能并用于驱动软机器人。
在科技飞速发展的当下，软机器人领域备受瞩目。软机器人凭借其紧凑结构、高能量密度和大变形能力，在诸多领域展现出巨大潜力，比如驱动软操纵器、仿生机器人手、传感器以及小型移动机器人等。然而，常用的软致动器各有短板。像气动致动器（PAs）虽应用广泛，但需额外外部气源，增加了系统复杂性和重量；介电弹性体致动器（DEAs）由电场驱动，需高电压和高工作频率，更适用于移动机器人而非操作任务；液压放大自修复静电（HASELs）同样需要高电压和昂贵的供电设备。
扭曲致动器（TAs）中的尼龙纤维扭曲致动器（TNAs），能通过紧密缠绕的电热丝直接升温产生线性收缩，成本效益高，备受关注。不过，TNAs 也存在明显局限。其变形和输出力相互制约，增加直径虽能提升变形，但会降低刚度，导致输出力减小，难以同时实现大变形和高输出力，这极大限制了其在更高级应用中的发展。
为突破这些限制，推动软机器人技术发展，研究人员开展了深入研究。他们从染色体的构建过程中获取灵感，提出 3 种性能增强策略，并通过 3 种新型 TNAs 进行验证。该研究成果发表在《Research》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在制造方面，利用自制设备制备 TUNA、PTNA 和 PTUNA，这些设备包含纤维扭转自卷模块、电热丝缠绕模块和超卷模块。对于温度控制，借助有限元方法模拟铜丝到尼龙纤维的热传导过程，通过监测铜丝电阻估算 TNAs 温度，利用电流和功率监测器、MOSFET、电源以及 MCU 实现精确温度控制。同时，搭建专门的测试平台，配备温度控制系统、电阻应变片力传感器和激光位移传感器，实时监测和记录 TNAs 的位移、力和温度数据。
下面来看具体的研究结果：
- 基于双级螺旋结构的变形改进机制：研究人员制造出具有双级螺旋结构的扭曲和超卷尼龙致动器（TUNA），它由低成本尼龙纤维和铜线构成。制造过程先将尼龙纤维逆时针扭转，再均匀缠绕铜线并持续扭转形成一级螺旋结构，然后绕芯轴卷绕成超卷结构，最后通过退火消除内应力锁定结构。TUNA 的致动原理是利用漆包铜线产生的焦耳热使尼龙纤维径向膨胀，引发解捻扭矩，驱动螺旋结构线性收缩。实验显示，TUNA 在 0.5 N 负载力、0.44 MPa 驱动应力下变形可达 60.2%，还具备出色的能量存储能力，能将微型篮球抛至 131 cm 高度。而且，超卷结构在高负载下可转变为自卷状态防止断裂，还能重构提升输出力。通过有限元分析优化，确定铜线的最佳螺距为 0.4 mm、直径为 0.16 mm。
- 基于平行扭转结构的输出力增强方法：为提升 TNAs 输出力，研究人员提出平行扭转策略，制造更强的前体纤维。将 4 根预扭转的尼龙纤维平行扭转后自卷，制成平行扭转尼龙致动器（PTNA），进一步绕芯轴超卷得到平行扭转超卷尼龙致动器（PTUNA）。实验表明，PTNA 在 9 N 负载、150°C 时变形达 20.3% ，4 根尼龙纤维制成的 PTNA 输出力可达 11.0 N。PTUNA 相比 TUNA 输出力提升 439.7%，在不同负载下收缩比表现良好，且能量存储能力出色，能将微型篮球抛至 129 cm 高度。此外，模仿螺旋弹簧构造的螺旋形 PTUNA 水平方向收缩比超 88.9% 。
- TNAs 在仿生肘部和跳跃机器人中的应用：研究人员用 3 种 TNAs 驱动由软致动器和刚性部件组成的软机器人。仿生肘部（BE - 1）由 TUNA 驱动用于举起动作，能实现 102.0° 的旋转，展示了 TUNA 的大变形能力。为实现投篮动作，优化仿生肘部配置，加入储能元件（弹簧）形成双稳态结构 BE - 2，可快速释放能量，将微型篮球投出超 130 cm 远。利用双稳态结构原理，设计由 PTNA 驱动的小型跳跃机器人，实验显示其能跳过 30 cm 高度，是自身高度的 15 倍，有助于在未知环境探索。
- TNAs 在软手指中的应用：研究人员开发了由 PTNAs 驱动的 3 自由度（DOF）软手指，通过有限元模拟验证其变形机制和几何设计合理性。实验发现，软手指在单 PTNA 驱动下，温度升高时先弯曲后扭转，双 PTNAs 驱动下可包裹物体，展示抓取小物体的潜力。在不同负载下，软手指收缩性能良好，无负载时收缩比 26.7% ，2 kg 负载下仍有 15.6% 。通过 4 个 PTNAs 的协同驱动，软手指能精确控制弯曲和旋转运动，在激光消融模拟实验中，能跟踪椭圆和 “8” 字形等复杂曲线，最大跟踪误差较小，在生物组织消融和工业激光加工领域有潜在应用价值。
综合研究结论和讨论部分，该研究意义重大。研究人员提出的 3 种策略有效提升了 TNAs 的性能，3 种新型 TNAs 验证了这些策略的可行性，并成功应用于驱动多种软机器人，使软机器人实现大幅运动、快速射击、跳跃以及软手指的多种模式变形和精确控制。不过，由于 TNAs 是电热驱动，高工作温度和长冷却时间限制了其应用。未来，TNAs 在可穿戴设备和生物医学等领域有广阔探索空间，若能克服现有局限，将极大推动其实际应用，为软机器人领域发展注入新活力。
