嵌入可拉伸纺织传感器的McKibben人工肌肉实现实时位移监测与软体机器人精准控制

这篇研究报道了一种新型薄型McKibben人工肌肉（TES-MAM），其内部嵌入可拉伸纺织传感器（PSTS），实现了无需专用测量仪器的实时位移监测。通过创新性设计，该传感器在保持4.5 mm外径的紧凑结构下，解决了传统传感方案导致的收缩率下降和系统复杂化问题。PSTS展现出优异的弹性（预缩比2.0）、耐久性（抗汽车碾压）和环境稳定性（温度/压力不敏感），其电阻变化与位移呈线性关系（R2>0.99）。在单自由度机械臂应用中，TES-MAM成功实现关节角度实时测量，误差显著低于图像分析法，为软体机器人（soft robots）和可穿戴设备提供了高适应性解决方案。

　　

2 Results

2.1 导电纺织传感器嵌入McKibben人工肌肉的设计

TES-MAM通过将预拉伸纺织传感器（PSTS）集成于人工肌肉内管，实现了传感功能与原始驱动特性的兼容。如图1所示，该结构外径仅4.5 mm，收缩率与传统McKibben肌肉无显著差异（图1d）。PSTS通过电阻变化监测位移，其测量电路采用简易分压设计（支持信息图S2），成本仅1.12美元/件（支持信息图S4）。

2.2 可拉伸纺织传感器的机理与表征

PSTS基于Holm接触电阻理论（公式1-3），通过预缩处理（β=2.0）扩展测量范围至压缩区（图2d）。银镀尼龙线编织的Lillian结构（支持信息图S7）在硅胶管封装下，连接部位抗拉强度达铜胶带样本的15.8倍（图2e）。环境测试显示其电阻不受温度（20-60°C）和压力（0-0.5 MPa）影响（图3a,b），且经10次汽车碾压后功能完好（图3c）。

2.3 TES-MAM的性能验证

在0.5 MPa阶跃压力下，纺织传感器响应时间（0.73 s）接近传统编码器（0.81 s）（图4a）。循环测试（50次0.5 MPa加压）中电阻变化保持稳定，滞后可忽略（图4c,d）。线性校准显示位移-电阻关系R²>0.99（支持信息图S12）。

2.4 单自由度机械臂应用示范

如图5所示，TES-MAM驱动的机械臂通过滑轮-皮带机构实现关节运动。基于几何关系（支持信息图S11），传感器电阻值转化的关节角度与图像追踪结果误差极小（图5c），证实了无附加测量系统的实时姿态监测能力。

3 Conclusion

TES-MAM以低成本（1.12美元/传感器）、简易制造工艺（半自动编织机）和卓越环境稳定性，突破了传统嵌入式传感人工肌肉的性能限制。其4.5 mm超薄直径和分压电路设计，为软体机器人（soft robots）、辅助外骨骼等应用提供了高适应性解决方案。

4 Experimental Section

测试系统采用Arduino Uno驱动，气压由电动调节器（EVT500-1）控制。位移校准使用线编码器（DS-025）作为基准，采样频率20 Hz。图像分析通过Adobe After Effects追踪标记点（1280×720 px，29.9 fps）获取参考关节角度。