三维弹性剪纸结构驱动的全柔性被动可拉伸真空动力人工肌肉研究

本文创新性地提出基于三维弹性剪纸结构（kiri-elastomer）的全柔性真空动力人工肌肉（VPAM），通过仿生二维剪纸艺术在三维弹性体中的结构重构，实现了兼具被动拉伸与主动收缩的双向驱动特性。该设计采用单一软材料（如Ecoflex/Elastosil硅胶）构建，输出应变达74.1%、应力0.044 MPa，能量密度14 kJ/m3，峰值功率316 W/kg-1，性能超越人体骨骼肌，为柔性机器人、康复医疗等领域提供了新型仿生驱动方案。

　　

引言

人工肌肉（VPAM）作为模拟生物肌肉收缩特性的关键器件，在软体机器人、医疗康复等领域具有重要应用。传统真空驱动人工肌肉多依赖刚性支撑结构或形态设计，存在柔性不足、被动拉伸能力受限等问题。受二维剪纸艺术启发，本研究通过三维弹性体切割技术构建全柔性kiri-elastomer VPAM，其独特的内外切割网络实现了类似生物肌肉的被动拉伸-主动收缩耦合特性。

三维弹性剪纸VPAM设计

核心创新在于将二维剪纸的平行切割模式拓展至三维弹性体（图2）。通过封闭式内部切割（连接气源）与开放式外部切割的组合，硅胶块在轴向载荷下可被动拉伸至原始长度的2.5倍（λ_l=2.5），负压激活时则主动收缩。基本单元设计参数包括切割间距（a=3-6 mm）、切割深度（b=2-3 mm）和连接桥宽度（c=7-9 mm），通过Ogden模型拟合硅胶材料非线性力学特性（图4），其中m5材料（μ=0.21 MPa）展现最优抗屈曲性能。

静态与动态特性

实验表明（图5-7）：

1. 被动拉伸：软材料（m1）在10N载荷下伸长量达23.2 mm（4倍初始长度），而减小a或增大c可提升延展性；
2. 主动收缩：在-40 kPa负压下，a=3/b=3/c=9组合实现17.2 mm收缩（应变74.1%），超越骨骼肌典型值；
3. 输出力：m3材料（a=6/b=3/c=7）在-20 kPa时产生40N阻塞力，对应应力0.044 MPa；
4. 动态性能：阶跃响应测试（图9）显示0.1s快速响应，能量密度14 kJ/m³，峰值比功率316 W/kg^-1，较人体骨骼肌（8 kJ/m³, 284 W/kg^-1）提升显著。

抗屈曲优化与应用验证

研究发现屈曲失效分为突变型（BWS）与渐变型（BWTS）（图8）。通过增加材料硬度（m5）、减小c值（<7 mm）及控制预拉伸（<10 mm）可有效抑制屈曲。应用演示（图10）包括：

• 单模块提升1 kg负载（-50 kPa）；
• 四模块并联举升1.5 kg；
• 仿生拮抗驱动系统实现关节旋转，验证了其在受限空间的应用潜力。

讨论与展望

三维剪纸结构为全柔性VPAM设计开辟新路径，未来可通过复杂切割模式开发多自由度驱动器。当前研究仍存在硅胶粘接工艺限制，但已证实其在高能量密度柔性驱动领域的独特优势，为下一代仿生机器人系统提供重要技术储备。