《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》：Advancing McKibben artificial muscles: Bio-inspired design for complex motion
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McKibben人工肌肉（McKibben Artificial Muscles, AMs）凭借其柔顺性和高力输出，被广泛用作软体机器人中的执行器。然而，在多个不同方向上使用多个AMs实现复杂运动仍具挑战，因为每个AM都需要笨重的气动或液压系统，使装配复杂化并
McKibben人工肌肉（McKibben Artificial Muscles, AMs）凭借其柔顺性和高力输出，被广泛用作软体机器人中的执行器。然而，在多个不同方向上使用多个AMs实现复杂运动仍具挑战，因为每个AM都需要笨重的气动或液压系统，使装配复杂化并增加泄漏风险。这些局限性限制了其在紧凑或轻量化应用中的使用。受自然肌肉结构（可优化力分布并实现多方向运动）启发，本研究旨在将复杂纤维排列集成到单个McKibben AM中。研究人员利用多个传统日本Kumihimo编织盘之间的协同作用，开发了一种新型制造技术，以制造多方向AMs。两项案例研究证明了该方法：（1）一种弯曲执行器，能够根据驱动压力实现可编程弯曲角度；（2）一种会聚执行器，其组合分支可重新配置输出力方向以扩展运动范围。所得分支AMs将复杂运动局部编码于其结构中，无需复杂的执行器系统。这种制造策略推动McKibben AM设计向更紧凑、自适应和多功能的高级软体机器人系统发展。
该研究发表于《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》，旨在将生物肌肉的复杂结构嵌入整体编织的McKibben人工肌肉（McKibben Artificial Muscles, AMs）中，以突破传统单一圆柱结构仅能轴向运动的限制，实现多方向复杂运动。
**1. 研究背景与目的**
生物肌肉组织是卓越的天然执行器，能够产生大收缩力、快速运动，并通过数千根微小纤维的协调作用精细调节动作。McKibben AMs由内囊和编织套管组成，凭借柔顺性、大闭合力、高收缩比和快速响应等优点，被广泛用于软体机器人、假肢和康复设备中。然而，传统McKibben AMs多为单一圆柱结构，仅能沿轴向产生收缩或延伸。若需产生多方向复杂运动，通常需要将多个独立AMs按不同方向装配，每个AM均需独立的气动或液压系统，导致系统体积大、质量重、连接件多，并增加泄漏风险。已有研究尝试通过角度排列、多丝束集成、引入弯曲结构等方式扩展运动能力，但仍依赖复杂的执行器系统或牺牲制造简便性。因此，研究人员提出假设：将复杂肌肉纤维架构直接嵌入单个整体编织的McKibben AM中，可在保持结构简洁性的同时扩大运动范围。
**2. 关键技术方法**
研究人员基于传统日本Kumihimo编织盘开发了多盘协同编织工艺。编织时采用Y形芯轴，先在单一编织盘上编织主支，在分叉处将线材分配至两个编织盘分别编织子支，并在交接处互换少量线材以维持覆盖系数恒定。通过改变线材数量、芯轴直径和牵引重量，可设置不同编织角和覆盖率，从而形成非装配式多方向编织套管。实验采用手动泵加压，压力传感器（IFM PU5404）配合数据采集系统（NI USB-6008，采样率20 Hz）记录压力，相机录像并用Tracker软件追踪末端运动。弯曲实验在10–50 kPa压力下以10 kPa步进测试，每组5次；会聚实验在40 kPa下分别驱动左侧、右侧及双侧子支，并采用测力传感器测量力输出。
**3. 研究结果**
**弯曲型McKibben人工肌肉**
为产生弯曲运动，研究人员在AM结构中引入不对称性。制造了一个由主支分叉为两个子支后再汇合的单体式McKibben AM。两个子支采用不同编织参数：一个子支初始编织角为64°，作为延伸元件；另一个子支采用高覆盖率半静态配置。两者长度变化不同，在固定间距约束下产生弯曲。实验结果显示，在10、20、30、40和50 kPa压力下，平均弯曲角分别为6.8°、37.8°、69.5°、93.3°和108.2°，最大测量弯曲角为112.9°。弯曲角随压力升高呈先缓慢上升后近似线性增加的趋势。运动轨迹平滑连续，证明线性收缩可有效转化为弯曲运动，且弯曲角度可通过驱动压力进行编程控制。
**会聚型McKibben人工肌肉**
受会聚肌肉（如胸大肌）启发，研究人员制备了由两个子支会聚为单个主支的整体编织McKibben AM。两个子支初始编织角分别为46°和50°，主支初始编织角为49%。实验中分别单独驱动左、右子支以及同时驱动两个子支。结果表明，当两个子支协同工作时，分支间的相互作用重新配置了输出力的方向，从而扩大末端可达运动范围。在40 kPa压力下，测量得到的平均最大力为7.4±0.007 N。追踪数据还显示充气与放气轨迹存在差异，这一问题被认为可能与硅胶内囊的黏弹性滞后效应以及编织套管与内囊之间的摩擦有关。
**4. 讨论与结论**
研究开发的多盘协同编织方法能够将分支结构直接集成到单个McKibben AM中，形成连续的肌肉网络，避免传统装配式结构所需的接头和管路。分支间的机械相互作用可产生弯曲、多轴曲率等复杂运动，显著扩展了设计空间。该方法与工业Maypole编织机原理兼容，具备良好的规模化潜力。不过，分支连接处的载荷路径和力学行为仍需进一步系统研究，包括堵转力测试和失效分析。未来研究方向包括增加子支数量、优化编织参数、建立预测模型，以及探索软体连续臂、自适应抓持器等应用。总体而言，研究人员通过多盘编织实现了非装配式多方向McKibben AM，将复杂运动直接编码于结构之中，在保持McKibben AM原有简洁性的同时显著扩展了其运动范围和功能，为先进软体机器人执行器的发展提供了新途径。
