多模式和程序化变形的管状柔性执行器在科学和工程领域具有重大的应用价值。自然界中的管状执行器具有多模式变形的特点，能够实现变形自由度高度可控的复杂而精细的变形行为。然而，由于有限和无法设计调控的变形自由度，人工合成制备的响应型管状柔性执行器往往只能产生简单的线性伸长/收缩变形。
西湖大学工学院智能高分子材料实验室的研究人员受象鼻（生物管状柔性执行器）高自由度变形机制的启发（图1和图2），设计和开发出由螺旋人工肌肉纤维结构化的仿生管状三维柔性执行器，具备可设计的多自由度变形，展现出超出预期的、丰富的可控多模式变形行为。相关研究成果以“Bioinspired Helical-Artificial-Fibrous-Muscle Structured Tubular Soft Actuators”为题在Science Advances期刊发表，西湖大学智能高分子材料实验室博士后胡志明博士为第一作者，吕久安特聘研究员为通讯作者，西湖大学跨力学实验室博士生张焱林为共同作者，姜汉卿教授为共同通讯作者。
在象鼻中，肌肉纤维通过定向排列和缠绕，形成了象鼻的管状肌层。不同肌肉纤维取向（轴向、径向、圆周方向、螺旋取向）的多个肌肉层的复合，共同构成了象鼻肌肉层的三维管状结构（图2a）。通过神经信号激发特定纤维取向方向的肌肉层，可以可控地实现多种变形模式，包括伸长、弯曲、扭转等（图3），甚至实现多种变形模式组合的复杂变形模式。
受此启发，智能高分子研究团队开发了可编程的纤维缠绕制备平台，能够实现自下而上构建螺旋人工肌肉纤维结构化的管状柔性执行器 (Helical-Artificial-Fibrous-Muscle Structured Tubular Soft Actuators, HAFMS-TSAs)，多级结构化的HAFMS-TSAs具备自由度可调的程序化变形行为。与之前利用刺激响应柔性材料设计和制造的管状柔性执行器不同，HAFMS-TSA可以根据不同应用需求局部、程序化调整材料组成、液晶有序度、力学性能和驱动性能（图4）。这种全新概念的管状柔性执行器不仅展示了多达11种不同的变形模式，还能够实现负泊松比或零泊松比变形-超材料特征的独特变形行为（如图3所示，形变模式4泊松比小于零，模式3和5泊松比等于零）。此外，人工肌肉纤维三维螺旋结构中存在的两个重要的变形自由度转变边界被发现，其中一个边界结构和变形功能由智能高分子团队首次发现和报道。利用这两个变形自由度转变边界，可以有效实现HAFMS-TSAs在变形时轴向变形、径向变形的解耦和耦合（图3）。这一意外的重大发现为精细操控三维管状柔性执行器复杂变形行为提供了有力的解决方案。
图1 象鼻的高自由度多模式变形（图片来自微信公众号公共图片库）
图2 生物启发的螺旋状人工肌肉纤维结构化的管状执行器设计策略
图3 3D螺旋纤维结构化的管状执行器展示出自由度可调的多模式变形
图4 材料组成、液晶有序度、机械性能可局部调控和编程的管状三维柔性执行器
基于 HAFMS-TSAs 的自由度可调的多模式变形特点，团队开发和展示了三种工程应用，即高效泵送流体、高自由度的软体机器人触手以及智能人造植物。
高效泵送流体
以往报道的响应性柔性管状执行器，基本上无法有效泵送流体，因为变形时内部空腔体积无明显变化。由于HAFMS-TSA具有特殊的3D螺旋纤维结构，HAFMS-TSA在外部刺激下表现出显著的内腔体积变化，流体排出率η高达65% (
) , V为在一个周期变形产生后管状执行器排出流体的体积，V0为管状执行器形变前的初始内腔体积)，从而有效实现泵送功能。此外，研究人员从哺乳动物心脏利用独特的拧绞变形提高射血效率的原理中得到启发，利用管状执行器的扭转运动引发拧绞变形，放大流体排出率，开发出高泵送效率（η = 84%）的新型柔性泵（图6a）。
高自由度的软体机器人触手
HAFMS-TSA 可以用作小型软机器人触手（图6 b），这种触手不仅可以通过光驱动的收缩来抓住螺栓并在直线状态下旋转拧下它，即使在触手弯曲的状态下，依然能够施加扭矩来拧下螺栓。甚至在触手的多个部分都处于弯曲状态时，它仍然能够施加扭矩来拧下螺栓。这表明着HAFMS-TSA在高自由度微机械操作和微型软机械臂的应用中具有巨大的潜力。
图6 HAFMS-TSAs的多功能应用
智能人造植物
自然界中的植物具备对环境适应性的智能响应变形行为，智能高分子团队利用HAFMS-TSA创造出一种智能人造植物（图7）。这个智能植物可以像真实植物一样，根据光照条件做出自适应的动态三维结构自动转变。与自然界中植物的智能感光变形行为相似，智能人工植物同时具备厌光性（对光避免）、趋光性（对光追逐）和与光入射方向无关的变形行为。这使得智能人工植物可以根据外界光辐射条件的变化在紧凑的闭合2D状态和多级打开的3D状态之间实现可逆动态和自发转换。此外，智能人造植物还具有智能化的自我保护机制，处于弱光环境下时，它会自动展开和扩张，以增加光的吸收面积。当智能植物暴露在高强度光辐射时，植物的器官将自动变形使器官平面平行于光的入射方向，以减少被辐射面积。这与自然界中真实植物所表现出的自动避免高剂量太阳辐射伤害的自我保护智能非常相似。
图7 HAFMS-TSAs构建的智能仿生人工植物
目前，利用人工肌肉纤维作为结构单元构建智能柔性变形系统的研究只是拉开了序幕，还有巨大的发展潜力。比如，采用机械臂辅助的纤维自动化排布技术，可以在三维空间精确控制人工肌肉纤维的空间取向分布、材料组成分布、力学性能分布，创造出高分辨率任意三维变形的复杂柔性执行器系统。本研究利用人工肌肉纤维作为结构单元来程序化组装结构化的管状三维柔性执行器，为未来全新领域的研究打开了一扇大门——如何利用模块化组装策略去构建复杂的三维柔性执行器系统。这类非传统的三维柔性执行器设计和组装技术将为柔性机械系统、人工肌肉、生物医学器件等科技领域的发展带来无限可能。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh3350
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