《Applied Bionics and Biomechanics》：Bioinspired Hybrid of Electrolysis and Fluidic Reaction (HEFR) Soft Actuator, Mimicking Natural Muscle Filament Motion With Electricity Generation Capability
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研究人员采用电-流体耦合电解与流体反应（hybrid of electrolysis and fluidic reaction, HEFR）技术，研究了一种设计为人工肌球蛋白（artificial myosin）的实验性软体驱动器模型。能量通过涉及乙酸（CH<
研究人员采用电-流体耦合电解与流体反应（hybrid of electrolysis and fluidic reaction, HEFR）技术，研究了一种设计为人工肌球蛋白（artificial myosin）的实验性软体驱动器模型。能量通过涉及乙酸（CH3COOH）、碳酸氢钠（NaHCO3）和水（H2O）的化学反应产生，并结合化学电解作用，驱动软体驱动器产生类肌肉运动。相反，当驱动器在外部刺激下松弛时，其可产生电流。人工肌球蛋白的性能通过三个测试案例进行评估。在第一个案例中，驱动器设计为简单的膨胀机制，在加压流体作用下展开，展示了其在约1秒内推动0至500 g负载的能力；此外，在松弛模式下，驱动器产生电能（约0.5 mW）。第二个测试案例考察了两个相对放置的人工肌球蛋白的往复运动。利用每个肌球蛋白折叠线的不对称原理以及一侧的边缘肌动蛋白（actin）结构，该配置实现了每周期15 mm的收缩（2秒内完成），同时在松弛过程中产生电能。第三个案例中，研究人员整合了多个人工肌肉，结合不对称原理和驱动器刚度变化，实现了模拟天然肌球蛋白功能的收缩运动和弯曲旋转。该研究表明，将化学反应、电解与多个软体驱动器相结合，并应用不对称原理，可以复制类似天然肌肉的肌球蛋白收缩，同时实现能量收集。所提出的方法具有进一步开发和优化的巨大潜力，可应用于多种领域。
该研究围绕软体驱动器这一核心主题展开，旨在解决现有驱动技术与自然生物运动机制之间存在显著差距的问题。传统刚性驱动器如电动机虽然技术成熟，但存在功率-重量比较低、结构复杂、难以适应复杂环境等局限；而现有的软体驱动技术，包括介电弹性体、压电材料、磁响应材料、热响应材料以及压力驱动系统等，虽各具特色，但或需高电压驱动、或位移量有限、或响应速度不足、或无法模拟自然肌肉的化学-机械耦合机制，且多数无法在反向驱动过程中实现能量回收。自然界中，肌肉收缩依赖于肌球蛋白与肌动蛋白的mediated cross-bridge机制，涉及复杂的化学反应、流体压力变化及蛋白质构象转变，而现有技术对这类自然机制的仿生研究明显不足。基于此，研究人员开展了一项创新性研究，提出并验证了基于HEFR技术的仿生人工肌球蛋白模型，证明该技术不仅能有效模拟天然肌肉的收缩运动，还能在松弛阶段回收电能，为软体机器人、人工肌肉及能量自供给系统提供了新的技术路径，相关成果发表于《Applied Bionics and Biomechanics》。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：采用HEFR技术作为核心驱动机制，将流体反应与电解过程耦合以产生高压气体驱动；基于生物仿生原理设计人工肌球蛋白结构，利用不对称折叠线（asymmetric folding lines）和单向边缘肌动蛋白条带实现定向收缩；通过多软体驱动器组合与差异化刚度设计实现三维弯曲运动；利用柔性铝条和铜条分别作为阳极和阴极，配合含盐乙酸水溶液作为电解液构建电能收集系统；通过电磁阀控制流体进出实现驱动周期的精确调控。
研究结果部分包含以下三个核心内容。
在"HEFR软体驱动器的运动及能量收集能力"部分，研究人员设计了一种简易软体驱动器并测试其性能。该驱动器由尼龙袋折叠成薄壁空心圆柱体构成，内部嵌入两组金属条作为电极并开设流体进出通道。测试结果显示：在HEFR模式下，电解过程产生的气体加热流体并加速反应速率，使驱动器响应时间略有缩短；驱动器从90°弯曲状态快速展开至180°，可推动500 g负载，且负载增大时响应时间呈非线性增加；在松弛模式下，通过外部机械刺激使电解液在铝-铜电极间流动，可产生约5.5 mW的电能，电解液浓度显著影响发电效率。该部分得出结论：HEFR技术可有效驱动软体结构并实现在线能量收集。
在"人工丝状机制的滑动收缩"部分，研究人员针对单向运动问题设计了双肌球蛋白往复系统。该系统运用两项不对称原理：肌球蛋白1（M1）沿中线折叠，肌球蛋白2（M2）沿1/4长度折叠，实现充压时的柔性头部与动力冲程时的刚性头部转换；配合单向边缘肌动蛋白条带，使M1在非工作冲程中柔性滑过肌动蛋白，而在工作冲程中刚性啮合拉动肌动蛋白。实验测得：每个冲程耗时约1秒，每周期产生约15 mm收缩位移，往复频率约90°/秒；双肌球蛋白协同工作时头部高度增加约30 mm，有助于精准定位肌动蛋白；系统可支撑200 g负载，收敛/松弛曲线呈明显非线性特征；松弛状态下横向运动亦可产生微量电能。该部分证实：基于不对称原理的往复设计可实现有效的定向收缩运动。
在"多收缩模块及人工肌球蛋白的弯曲运动"部分，研究人员为模拟天然肌球蛋白的曲线形态，设计了包含三个前向驱动器和一个返程驱动器的组合结构。通过差异化设计腰部与腹部区域的刚度（不对称原理3），压力增加时驱动器倾向于向低刚度侧弯曲，实现多折叠点的协调收缩；返程驱动器各向等刚度设计确保水平复位。实验表明：该模型可实现90°以上的弯曲角度并完整回复水平状态；随着前向驱动器容积增加，响应时间相应延长；弯曲及复位过程中均可检测到电压电流信号。该部分说明：多驱动器组合配合刚度不对称设计可复现天然肌球蛋白的三维弯曲运动模式。
在讨论部分，研究人员总结了该仿生方法相较于传统驱动技术的核心优势：制造成本低廉，主要采用塑料、硅胶等简单材料；重量显著低于含金属组件的电动机；结构简单、零件少、寿命长；最重要的是，该方法直接借鉴了自然系统经过亿万年优化的解决方案。HEFR技术通过化学反应与电解的耦合，在气体产生效率、反应速率及能量转换方面展现出独特优势，其工作机制与天然肌肉依赖ATP水解、钙离子调控及蛋白质相互作用的机制具有原理层面的相似性。研究人员特别指出，虽然天然肌球蛋白头部精确定位肌动蛋白并高效传力的完整机制尚不完全清楚，但当前方法通过工程化的不对称设计提供了实用的功能替代方案。三个递进式模型从简单膨胀到往复收缩再到三维弯曲，系统验证了HEFR技术在仿生肌肉领域的可行性与可扩展性。
研究结论指出：该文研究了采用HEFR方法设计的仿生人工肌球蛋白软体驱动器的性能。基于定量和定性结果，证明HEFR方法能够实现肌肉运动或从肌肉运动中产生能量，使其成为人工肌肉应用的可靠候选方案。此外，该方法具有可扩展性，可生产各种尺寸的驱动器。研究提出了三个模型并进行验证：第一个模型分析了简单的平滑肌，观察到随着流体压力增加，肌肉伸展，显著减少了提升重量所需的时间，特别强调了电解与化学反应结合在负载增加时的实用性；第二个模型通过两个相对工作的肌球蛋白解决了第一个设计的局限性，引入了两项不对称原理以实现肌球蛋白头部在能量传递过程中的柔性与刚性转换，并采用单向边缘肌动蛋白条带模拟天然肌球蛋白收缩；第三个模型利用多个软体驱动器并差异化设计腰部与腹部刚度，复制了天然肌球蛋白在动力冲程和松弛阶段的曲线运动。在所有案例中，均展示了收集电能的可能性。该方法不仅实现了位移，还在位移过程中促进了发电。尽管提出的方法紧密模拟了自然机制，但它具有巨大的优化和开发潜力，可应用于多种领域。
