人工肌肉（英文名：polymeric artificial muscle），是模仿哺乳動物骨骼肌設計的一種柔性驅動器，指受外界刺激（光、電、熱等）發生可逆響應形變的智能材料和系統。能輸入環境刺激變化信息，使響應性聚合物材料產生形狀和性能的非線性變化，將化學能或物理能轉變為機械能，使聚合物具備制動功能。
人們很早就開始模仿生物體肌肉組織功能，進行“人工肌肉”的研究。仿生設計在人工肌肉研究中非常重要。用于人工肌肉研究的高分子材料有液晶彈性體、介電彈性體、負熱膨脹系數的聚合物、鐵電聚合物、聚合物-金屬配位化合物、聚合物凝膠、導電聚合物、壓電聚合物等。人工肌肉研究始于20世紀40年代。1949年，A.卡查爾斯基發現膠原蛋白纖維溶液在pH變化時發生收縮與膨脹，過程可逆可重復。50年代起，先后研究了麥吉本（McKibben）氣動驅動器，形狀記憶合金、電活性陶瓷等，但性能均存在明顯缺陷。2022年7月，美國科學家開發了一種新的材料和工藝，用于制造比生物肌肉更強壯、更靈活的人工肌肉。2024年9月，東京電通實驗室（Dentsu Lab Tokyo）在2024外灘大會上展示了擁抱科技（Hugtics），它是一個織入了人工肌肉纖維的特制背心。2025年8月，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所設計了一種尼龍紗線@聚二甲基硅氧烷（尼龍@PDMS）彈性人工肌肉纖維，具有和生物肌肉類似的彈性驅動性能，并基于傳統商業化材料開發，為商業化發展奠定良好基礎。
人工肌肉能夠在外加電場下，通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。人工肌肉分為電致動人工肌肉EAP（Electroactive Artificial Polymer ） 和氣動人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles），EAP按照致動原理分為離子傳導人工肌肉和電子傳導人工肌肉。電子型電致動聚合物是在電場的作用下依靠內部電子的遷移來驅動，它主要包括壓電效應材料、液晶彈晶體以及電致動伸縮材料。而離子型電致動聚合物是由內部離子擴散造成滲透壓形成的形狀變化，它主要包括離子聚合物膠體、導電聚合物以及離子金屬交換材料IPMC。人工肌肉材料內部具有固定帶電網鏈，陽離子可以通過網鏈進行擴散和遷移。它的驅動電壓比較低，一般1~3V就可以驅動。人工肌肉具備高輸出應變、高輸出能量、高輸出功率和大負載能力等特點，其體積小巧、運動靈活，在柔性機器人、柔性飛行器、生物醫療等領域有廣闊應用前景。
定義
人工肌肉，是指受外界刺激（光、電、熱等）發生可逆響應形變的智能材料和系統。能將環境刺激變化信息輸入使響應性聚合物材料產生形狀和性能非線性變化，將化學能或物理能轉變為機械能，導致聚合物形成制動功能聚合物材料。是模仿哺乳動物骨骼肌設計的一種柔性驅動器，具備高輸出應變、高輸出能量、高輸出功率和大負載能力等特點，其體積小巧、運動靈活，在柔性機器人、柔性飛行器、生物醫療等領域有廣闊應用前景。
研發歷程
人們很早就開始模仿生物體肌肉組織功能，進行“人工肌肉”的研究。仿生設計在人工肌肉研究中非常重要。用于人工肌肉研究的高分子材料包括：液晶彈性體、介電彈性體、負熱膨脹系數的聚合物、鐵電聚合物、聚合物-金屬配位化合物、聚合物凝膠、導電聚合物、壓電聚合物等。人工肌肉研究始于20世紀40年代。1949年，A.卡查爾斯基發現膠原蛋白纖維溶液在pH變化時發生收縮與膨脹，過程可逆可重復。50年代起，先后研究了麥吉本（McKibben）氣動驅動器，形狀記憶合金、電活性陶瓷等，但性能均存在明顯缺陷。
2022年7月，美國科學家開發了一種新的材料和工藝，用于制造比生物肌肉更強壯、更靈活的人工肌肉。研究成果發表在最新一期《科學》雜志上。加州大學洛杉磯分校（UCLA）工程學院研究人員稱，創建人工肌肉來完成工作并檢測力和觸覺，一直是科學和工程界的巨大挑戰之一。
在制造人工肌肉方面，雖然許多材料都很有競爭力，但具有高彈性的輕質介電彈性體（DE）因其柔韌性極佳而備受關注。大多數DE由丙烯酸或硅樹脂制成，但這兩種材料都有缺點。傳統的丙烯酸DE可實現高驅動應變，但需要預拉伸且缺乏靈活性；有機硅化物更容易制造，但它們不能承受高應力。
UCLA研究團隊利用市售化學品并采用紫外線光固化工藝，創造了一種改進的丙烯酸基材料，該材料更柔韌、可調節且更易于擴展，且沒有損失其強度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氫鍵，從而使材料更容易變形，但研究人員調整了聚合物鏈之間的交聯，使彈性體更柔軟、更靈活。然后將得到的薄薄的、可加工的高性能介電彈性體薄膜（PHDE）夾在兩個電極之間，以將電能轉換為致動器的動能。每張PHDE薄膜都像一根頭發一樣輕薄，大約35微米厚，當多層堆疊在一起時，它們就變成了一個微型電動機，可像肌肉組織一樣發揮作用，并產生足夠的能量來為機器人或傳感器的運動提供動力。研究人員已制作出4—50層不等的PHDE薄膜堆疊。
配備PHDE致動器的人工肌肉可產生比生物肌肉更多的動力，柔韌性也比自然肌肉高3—10倍。UCLA的研究利用了“干法”工藝。該工藝用刀片將薄膜分層，然后進行紫外線固化硬化，使各層均勻。這增加了致動器的能量輸出，使設備可支持更復雜的運動。
這種簡化的過程，以及PHDE的靈活和耐用特性，允許制造出新型柔性致動器，其可像蜘蛛腿般彎曲跳躍，亦可纏繞和旋轉。研究人員還展示了PHDE致動器能夠投擲比薄膜本身重20倍的豌豆大小的球。當電壓打開和關閉時，致動器還可像隔膜一樣膨脹和收縮。
2024年9月，2024外灘大會上展示了東京電通實驗室（Dentsu Lab Tokyo）的擁抱科技（Hugtics），是一個織入了人工肌肉纖維的特制背心。當你穿著背心擁抱一個裝有裝有壓力傳感器的模型時，系統會復制你擁抱時的物理數據，從而反饋給人工肌肉纖維，給你一個相同的擁抱。有了這件裝備，你可以把你的“擁抱”傳遞給你的女友以及你遠方思念的人。對于那些老年群體而言，能將子女的擁抱記憶轉化為數據記錄下來，即使子女長期不在身邊，老人們也能隨時沉浸于那份來自子女的溫暖擁抱。9月6日上午，東京電通實驗室（Dentsu Lab Tokyo）創意技術專家也將在現場（C0館）分享這些科技創意背后的思考。
2025年8月，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所邸江濤團隊設計了一種尼龍紗線@聚二甲基硅氧烷（尼龍@PDMS）彈性人工肌肉纖維，具有和生物肌肉類似的彈性驅動性能，并基于傳統商業化材料開發，為商業化發展奠定良好基礎。相關研究發表于《物質》。審稿人作出高度評價，該研究為對高耐用性和適應性有需求的機器人技術及可穿戴技術領域提供重要進展與參考。
技術原理
人工肌肉是一種新型智能高分子材料，能夠在外加電場下，通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。人工肌肉和天然肌肉之間存在很大差距，這主要是作用機理不同導致的。為了發展與完善人工肌肉，有必要和天然肌肉進行比較，模仿和改進性能，以更好地應用于仿生學研究。人工肌肉和天然肌肉的相同點是它們在工作時都會發生體積改變，且兩種肌肉工作時都需要移動的離子參與，都是通過化學反應產生機械運動。
協同效應是由兩層膜同時氧化產生的不對稱收縮/膨脹過程，以及兩層膜同時還原產生的反向不對稱收縮/膨脹：其中一層為推動裝置，另一層為拉動裝置。Fuchiwaki等采用全導電聚合物設計了不對稱雙層肌肉，通過產生協同的電化學機械驅動實現運動。其中第一層膜在氧化/還原反應中交換陰離子實現膨脹/收縮，第二層膜在氧化/還原反應中交換陽離子導致收縮/膨脹，以此得到最佳的不對稱配合8。Must等研究了一種帶有離子型電活性聚合物（IEAP）層壓板的致動器，表現出高電致應變和高彎曲模量的特性。該層壓板具有活性炭基電極，離子液體用作電解質。多層兼容的金箔被用作電流收集器。機器人的循環運動受到尺蠖運動的啟發，而IEAP層壓板被同時用作驅動器和結構部件。
人工肌肉分為電致動人工肌肉EAP（Electroactive Artificial Polymer ）和氣動人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscles），EAP按照致動原理分為離子傳導人工肌肉和電子傳導人工肌肉。電子型電致動聚合物是在電場的作用下依靠內部電子的遷移來驅動，但是激勵所需要的電場比較大。它主要包括壓電效應材料、液晶彈晶體以及電致動伸縮材料。而離子型電致動聚合物是由內部離子擴散造成滲透壓形成的形狀變化，它主要包括離子聚合物膠體、導電聚合物以及離子金屬交換材料IPMC。人工肌肉材料內部具有固定帶電網鏈，陽離子可以通過網鏈進行擴散和遷移。它的驅動電壓比較低，一般1~3V就可以驅動。
無污染、壽命長、響應速度快、驅動電壓低、能夠產生較大的位移形變以及微型化發展等優點。IPMC、壓電陶瓷以及形狀記憶合金的一些性能比較，不同材料具有不同性能，IPMC的形變量要大得多。
技術特點
人工肌肉和天然肌肉的差別：首先，它們的變形機制明顯不同。前者在變形過程中有機高分子化合物鏈的構象發生改變，并由各處的微觀變形積累疊加從而產生宏觀形變做功；后者在變形過程中蛋白質的構象并不發生改變，其位移是通過不同種類蛋白質之間的相對位移積累疊加形成的。其次，它們的驅動力不同。前者的驅動力由電流完成，后者由生物電激發后直接將化學能轉化為機械能。再次，它們的伸縮變化不同。前者既有收縮又有膨脹來表現其智能性；后者只有收縮，屬于單向力裝置，運動形式是直線往復式的。
分類
按驅動機制分
電熱驅動
電熱驅動人工肌肉通過焦耳熱使活性材料膨脹和收縮進而實現驅動，其研究核心涵蓋：焦耳熱電極和高活性熱響應基礎材料的優化設計。當前發展的焦耳熱電極設計包括：電極-活性材料共混；皮芯結構以及互纏結構。同時，聚合物基熱響應活性材料則在分子鏈取向、結晶區控制、纖維設計以及多材料復合等層面取得一系列里程碑進展。
電化學驅動
電化學驅動人工肌肉的核心是離子的定向移動，實現材料的擴張或收縮驅動。這類肌肉主要分為導電聚合物和低維納米材料。基于贗電容原理的導電聚合物具備良好的生物兼容性和較寬的行程范圍。碳納米材料作為雙電層電容材料則具有高響應率、高功率輸出等優點。近年來，該領域的創新與里程碑進展主要體現在電化學響應新材料、離子注入新機理以及纖維器件創新設計等方面。
介電驅動
對于介電驅動人工肌肉而言，當電壓施加于介電彈性體時，會在電極間產生電荷積累，引起材料沿電場方向壓縮和垂直方向擴張，進而產生驅動行為。介電驅動人工肌肉纖維是近年來發展起來的新興領域，具有高響應速率和寬響應頻率等優勢，但受限于其較高的驅動電壓和有限的活性材料選擇，其纖維化制備目前主要集中在薄膜卷曲、多材料涂層和同軸擠出等加工方式。
按傳導離子聚合物分
人工肌肉多是傳導離子的聚合物凝膠或傳導電子的導電聚合物，主要有以下幾種：
①pH響應型致動凝膠纖維材料。其能在水中溶脹，并隨酸堿變化纖維發生可逆收縮和溶脹，將化學能轉化為機械能。
②電化學型導電聚合物。這種聚合物通常由基質和電活性聚合物復合而成，其在氧化還原條件下發生體積變化。例如，以電活性聚吡咯-金雙層復合成的致動器，在電化學氧化還原條件下，電活性聚吡咯層壓迫雙層結構組合體，致其彎曲。
③離子聚合物金屬配位化合物。其是以氟聚合物為骨架的膜材，表面結合貴金屬鉑或金形成復合物，作為樹枝狀電極。在一定驅動電壓下，膠條向正極彎曲，可產生位移率10%~100%、壓力10~30MPa，彈性好。
④場致電收縮型聚合物。這種聚合物由25~40μm厚的偏二乙烯基氟-三氟乙烯對半摻比的共聚物P（VDF-TrEE）薄膜制成，外被鍍金電極膜。制作時使用電輻射進行加工。在150MV/m的電場作用下，電極間收縮達4%，造成材料內在預應力，有很高的能量密度4。
⑤電解相變型收縮材料。其原理類似于燃料電池，是以水分解時從液相變氣相的過程，體積的變化產生位移和動能。
⑥液晶收縮材料。有學者發現，光可使液晶材料彎曲。
按聚合類型分
電子型人工肌肉
在電場作用下呈現復雜形狀變化的聚合物材料，有些電刺激響應聚合物體系（電活性聚合物）在電流變化時發生彎曲、伸扭動，可控的形狀變化接近于肌肉組織。縮、電子型人工肌肉包括：
①電活性聚合物。電活性聚合物是在電流、電壓或電場作用下產生物理形變的聚合物材料。由其制備的驅動器具有應變高、柔軟性好、質輕、無噪聲等特點，與肌肉有著極為相似的特性。與無機化合物材料相比，電活性聚合物可以產生的應變比電活性陶瓷大兩個數量級，比形狀記憶合金響應速度快、密度小、回彈力大。高抗撕裂強度及固有的振動陽尼性能類似生物肌肉。有望作為人工肢體和人造器官、內窺鏡導管、供宇航員和殘疾人用的增力外骨架，以及制作機器人肌肉，可用于制造尺寸更加細小的器件用于基因工程來操作細胞。
②介電彈性體。介電彈性體是化學交聯的軟彈性體，可以提供很大的場致應變（10%~100%），而一般哺乳動物的應變為20%左右。介電彈性體是研究人員最為關注的聚合物驅動材料，具有質輕、價廉、噪聲小及柔軟可塑等特性。除此之外，還有壓電聚合物、鐵電聚合物、液晶彈性體等類型的電子型人工肌肉。電子型人工肌肉的優點在于其可以在室內環境下長時間的驅動，響應速度快，響應時間為微秒級;可以在電場下長時間的保持應變狀態，能夠產生相對較大的驅動力。不足之處是材料需要較高的驅動電場，應力和應變不可兼顧。由于聚合物玻璃化轉變溫度導致溫度局限性，電子型人工肌肉不適合在低溫下工作。對于鐵電聚合物材料，由于其居里點偏低，尚不適合高溫環境工作。
離子型人工肌肉
離子型人工肌肉包括：
①聚合物凝膠：凝膠狀態聚合物刺激制動的動力是凝膠內外環境的化學位差。在電場下不能維持應變狀態，而且響應速度較慢，彎曲應變產生的應力相對較小。
②導電聚合物：經過摻雜的導電聚合物如聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等在電場下會在電極附近發生可逆氧化還原反應，導致離子遷移，進而發生聚合物體積較大比例的變化，將電能轉化為機械功，從而實現驅動。除此之外，聚合物/碳納米材料復合材料、電流變液、介電液體凝膠等體系也用來制備離子型人工肌肉。離子型人工肌肉的優點是在低電壓下能夠產生大的彎曲應變，通過施加電壓方向可實現雙向驅動。
應用發展
商業制造
人工肌肉的部分材料已經率先應用于工商業制造，如用于制造機器魚、宇航掃塵器等。此外，臨床應用主要是抽吸生物標本和注射藥物。有學者用稀土材料做成磁敏型收縮材料，稱可以達到人工假體肌肉的水平；其產力達167N，加速度達7×10?3m/s，收縮率為32%，正被開發為人工假肢材料。Otero和Cortés研制出一種能如人手指般靈敏的機器人手指。這種手指的敏感部位是由三層復合膜[PPy/絕緣塑料膜/PPy]制成的，能感覺手指所承受的壓力，從而調節手指用力。而且這種機器人手指跟人的手指一樣，對物體能產生感覺7。在美國科羅拉多州丹佛舉行的美國科學促進年會上，展出了一種有著女性臉型的新型機器人——K-bot，盡管沒有復雜的人體組織，卻具有柔軟的皮膚。K-bot的臉是由具有24種人工肌肉的導電聚合物制造而成的，原料來自人造橡膠和泡沫混合物，因此能使面部做出更多的表情動作，如能按照指令完整地模仿并表達人類的28種面部表情。而且其面部會隨著年齡的變化而出現皺紋。
人工智能
機器人技術與系統全國重點實驗室劉英想教授團隊在《智能機器人》（SmartBot）創刊號上發表綜述論文。論文以《卷繞型人工肌肉及其應用的最新進展》（Recent Advances in Twisted and Coiled Artificial Muscles and Their Applications）為題，全面梳理了卷繞型人工肌肉的材料選擇、驅動策略和結構形式，為拓展其在機器人領域的應用開辟新的思路。機器人技術與系統全國重點實驗室劉英想教授團隊在《智能機器人》（SmartBot）創刊號上發表綜述論文。論文以《卷繞型人工肌肉及其應用的最新進展》（Recent Advances in Twisted and Coiled Artificial Muscles and Their Applications）為題，全面梳理了卷繞型人工肌肉的材料選擇、驅動策略和結構形式，為拓展其在機器人領域的應用開辟新的思路。
隨著新材料、新工藝的蓬勃發展，軟體機器人逐漸成為機器人領域的重要研究方向之一。傳統驅動器剛性較強，難以滿足軟體機器人在復雜環境和人機協作場景中的需求，因此，具備高適應性和高安全性的柔性驅動器受到廣泛關注。其中，卷繞型人工肌肉憑借高能量密度、低驅動電壓、大變形能力、結構簡單等優越特性，在軟體機器人領域展現出巨大應用潛力。
該論文系統回顧了卷繞型人工肌肉的最新研究進展及其在機器人領域的應用現狀，同時圍繞材料性能優化、控制精度提升和應用場景拓展等方面，對該領域的未來研究方向進行了分析和展望。論文首先綜述了用于制備卷繞型人工肌肉的主要材料，探討了無機化合物纖維、有機纖維、復合纖維和天然纖維等幾類材料的性能特點；深入探討了卷繞型人工肌肉的多種驅動策略，包括熱驅動、電化學驅動、溶劑驅動和其他非接觸式驅動方法，對比了不同驅動策略在致動機理和響應速度等方面的優劣勢；歸納了卷繞型人工肌肉的基本結構形式，包括單一結構、并聯結構和編織結構，分析了不同結構形式對其變形量及輸出力等特性的影響；最后介紹了卷繞型人工肌肉在柔性操控裝置、移動機器人、智能織物和柔性傳感器等機器人領域的典型應用。
太空探索
人工肌肉實現收縮、延展、彈跳、滾壓等作動模式的功能單元均為納米纖維尺度。整體裝備可以由人工肌肉纖維和高強度紡織纖維混合編織形成衣面材料，通過結構設計組成平行裝配結構。人工肌肉除了作為衣面的結構材料和加壓功能材料外，還可以利用組分中擁有良好導電性的碳納米管發揮導線作用，減少裝備中導線的布置及因布線增加的結構工藝，實現材料級別高性能復合。試驗表明，人工肌肉纖維收縮量平均達到14.2%，且具有質輕、高強、高導電、高導熱以及優異的結構柔性等特點。因此，使用人工肌肉技術的飛行員防護裝備可做到衣面材料僅為一層，不僅降低了工藝難度，還降低了防護裝備的重量和體積。
人工肌肉應用于飛行員體表加壓，驅動方式由氣動轉為電驅動，可取代傳統裝備上的充氣組件和飛機抗荷代償系統供氣調節裝置，不僅降低了防護裝備的重量和復雜程度，還提升了抗荷效果及穿戴舒適性。未來多軍種立體聯合作戰模式下，人工肌肉的應用可提高飛行員高空作戰能力、增加應急逃生幾率等；通過人工肌肉對疲勞部位精準的壓力刺激，可消除疲勞、提高飛行員長航時舒適性。對于中長期可能的高空-陸地/艦上作戰，使用人工肌肉技術簡化后的裝備提高作戰機動性，提高作戰場地轉換過程中的精準防護，便于靈活戰場轉換。
人工肌肉作為一種智能化飛行員穿戴式的終端執行機構可應用于未來多電-全電先進戰機，對飛行員裝備的智能化發展有著重要的意義。人工肌肉可用于包括全壓服、密閉盔、保護頭盔、供氧面罩、彈射座椅等防護裝備的自適應尺寸調節、加壓密封及彈射時身體的預約束，能夠極大提高裝備的防護性能及系統集成化程度，具有廣泛的應用前景。
醫療器材
氣動人工肌肉(pneumatic artificial muscle,PAM)具有傳統氣動元件的輕量化和安全性高等特點，同時有高功率/質量比、結構簡單、高柔順性等特點，受到國內外研究人員的青睞，廣泛應用于工業、機器人技術和康復器械等領域。
腦卒中或神經損傷患者，運動康復能夠幫助他們恢復肢體的功能和健康狀態，運動方式通常包括被動運動和主動運動。在患者康復治療初期，由于患者肌肉力量較小，需要外力輔助；后期患者肌肉力量恢復，能夠自主進行康復訓練，甚至可能需要一定的康復器械施加阻力訓練。腦卒中患者在實施偏癱肢體的康復訓過程中，基于康復器械訓練的效果顯著，能夠促進偏癱肢體功能改善。
一般而言，通常使用的康復訓練器械對運動位置控制的準確度和輸出力的精度要求不是很高，但對安全性和舒適性的要求很高，相比其他驅動器而言，氣動人工肌肉在這些方向的表現更加優異，氣動人工肌肉技術在康復治療中的應用已成為當前研究熱點。
氣動人工肌肉與其他驅動器相比有以下優勢：①輸出力/自重比大，能量轉換的效率高；②較高的動態特性；③無爬行現象；④可以通過改變輸入壓力實現中間定位；⑤較高的安全性、結構簡單、質量輕、結構易于小型化；⑥可結合使用，實現多自由度運動。由于氣動人工肌肉的這些優勢，使得在康復器械中得到廣泛應用，且在人體上下肢中應用最為普遍。
氣動人工肌肉在上肢康復器械中的應用包括手部的康復、腕關節的康復和肘關節的康復。上肢康復訓練器械主要幫助患者進行伸展和屈曲等動作訓練。
軍事應用
在科技高速發展和新軍事變革持續深入，單兵作戰面臨著如下幾點困難：一是單兵作戰能力要求的提高導致單兵負重嚴重增加；二是抗因傷致機動減弱和戰場生存能力要求變高；三是多環境作戰需求對體能與適應能力提出挑戰；四是對搶險救災等非戰爭軍事行動提出考驗。機械外骨骼作為單兵輔助裝置，能傳導、放大單兵的肢體動感，做到既增強單兵負重能力，又保持單兵的行動靈活性，使背負單兵數字化系統、大型機具、超標重武器彈藥的單兵，依然具有與普通單兵相同或更高的徒步機動作戰能力，能夠使得單兵作戰能力有飛躍性的提升。然而當前液壓、氣壓、電動等助力方式存在著重量大、與人體運動不完全吻合等問題，增加了人體體能消耗。因此有必要研究如何在減小人體自身消耗和外部能源消耗的前提下進一步提升外骨骼助力性能的方式方法。
傳統的驅動系統可分為三大類：液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動。但結合機械外骨骼的實際使用要求，它們各自存在相對應的缺陷，以至于它們在機械外骨骼上的應用面臨困境：一是液壓驅動受壓液體容易泄露，工作噪聲較大，能源使用效率低，傳動速度低；二是氣壓驅動中氣動裝置傳動速度的穩定性較差，信號傳遞的速度慢，控制性較差，不適用于大功率系統[2，3]；三是電機驅動動態平衡特性差、質量大、慣性大、換向慢。這些驅動系統的缺點制約了機械外骨骼在單兵領域更廣泛的應用。另外，當前的機械外骨骼的控制方式都存在著一個共性的問題，就是存在著滯后性，即控制方式一般都為根據人已做出的動作改變控制條件，最后達到外骨骼執行機構跟隨人體動作這一方式，這就使得機械外骨骼慢于人的動作，從而導致人體“拖著”外骨骼動作，這嚴重增加了人體的消耗。
尼龍制彎曲人工肌肉，對比現有仿生材料擁有更好的性能指標組合，例如在循環壽命、重量/體積能量、功率密度、效率、成本和可控性等方面都有著更加優異的表現。在材料測試實驗中，尼龍制人工肌肉表現出了以下特性：一是穩定可靠的驅動表現。材料的振幅可通過一個溫度函數預測并依靠函數控制振幅，在幾個周期甚至一個周期內達到穩定狀態；二是可靠的“捕捉狀態”。也就是說，在關閉激勵源后，彎曲人工肌肉可以保持在固定位置，肌肉可以鎖定在當前長度而不消耗能量；三是優秀的力量/位移輸出比——較大的線性拉伸致動（最高達49%）和位移/長度比（最高達125%）；四是極長的使用壽命，尼龍制人工肌肉在持續驅動下，100000個周期內振幅降低不到5%。這些優秀的性能表現，使尼龍材料制成的人工肌肉對比現有外骨骼驅動器具有更高的經濟性、安全性、穩定性、可控性。
相比現有的外骨骼驅動器，尼龍材料制成的人工肌肉具有以下優點：一是穩定的驅動表現讓人工肌肉在外骨骼驅動上的應用更容易實現。尼龍厚度一定并且在適宜的環境中時，熱驅動會使其產生穩定的可控的振幅，這使其可控性在外骨骼驅動材料中脫穎而出，而且能夠保證電壓和兩側熱功率輸入恒定的設計理論上可以由PID控制器完成。二是可靠的“捕捉狀態”讓人工肌肉在外骨骼驅動上的應用可靠。類肌肉組織的“捕捉狀態”讓其更貼合人體，從而更好地協同運動，良好的可逆性可以在不使用任何位置傳感器的情況下控制尼龍材料尖端位置；不需要耗費過多設計保證驅動器不會因為本身機械的反應而傷害穿戴者或者阻礙穿戴者行動；比起活性管、碳納米管、壓電雙晶片等材料，尼龍人工肌肉只需極小的成本便能實現這種“捕捉狀態”。三是優秀的力量/位移輸出比在現實應用中的需要非常廣泛。尼龍制人工肌肉通過扭曲纏繞高度取向的尼龍細絲，可以將拉伸應力放大至49%，并且可以實現125%的位移長度比。四是極長的使用壽命讓材料更經濟、更便于商業化生產。彎曲尼龍材料在10萬個周期內振幅降低不到5%，相對于其他仿生材料來說是極長的使用壽命，因此尼龍制人工肌肉能夠反復重復同一動作，適合應用于單兵外骨骼。
人體關節的轉動是通過不同部分的肌肉收縮程度不同而產生的，因此用人工肌肉模擬關節轉動需要使人工肌肉的不同部位產生不同程度的彎曲。人工肌肉的彎曲程度與加在其兩端的電壓正相關，因此本文通過控制加在人工肌肉束中的每根人工肌肉的電壓來控制每根人工肌肉的收縮程度，每根肌肉產生不同程度的收縮，整體效果相當于一束人工肌肉彎曲某一角度，等效于人體關節轉動了某一角度。控制部分主要分為檢測模塊、數據處理模塊（脈沖生成+串口數據打包）、顯示模塊三部分。其中檢測模塊由旋轉編碼器及外圍電路組成，主要是將人體關節的轉角轉化成脈沖信號，控制板檢測到的脈沖的個數即為關節轉過的角度；數據處理模塊由FPGA主控板、TTL轉串口組成，主要是將編碼器發送來的脈沖數進行計數，并據此數據生成5路控制信號，控制信號為占空比可調的PWM脈沖，并將轉角信號和控制信號的占空比打包為一幀數據包，以發送給上位機顯示。占空比的大小就相當于電壓的大小，占空比越大，電壓越大，占空比越小，電壓越小。由于不同部位的人工肌肉需要不同程度的收縮，因此需要多路電壓輸出，且電壓不一定相同。
纖維型人工肌肉
概述
人工肌肉纖維用途廣泛，不僅對醫學具有重大意義，對機器人技術的發展也至關重要，在2019年，南開大學劉遵峰團隊開發出一種新型扭熱制冷技術，將人工肌肉應用于制冷領域，拓寬了人工肌肉的應用領域。隨著機器人等人工智能技術的發展，作為機器人等人工智能設備驅動關鍵的人工肌肉引起廣泛關。纖維型人工肌肉以其優異的驅動性能及廣闊的應用前景引起越來越多學者的研究興趣，越來越多的纖維型人工肌肉被研發成功，其中基于加捻技術的纖維型扭轉肌肉和伸縮肌肉得到了廣泛的關注。其對環境刺激（包括溫度、溶劑、光、電和pH等）可以進行快速響應，并且能夠產生大角度的扭轉驅動和巨大的伸縮驅動，引起了人工智能等不同應用領域的研究興趣。
制備原理
纖維狀人工肌肉是基于高度加捻纖維而制備出的一類人工肌肉。聚合物扭曲纖維人工肌肉的制備源于一個有內部排列的前體纖維，其內部由高度取向于纖維方向的柔性聚合鏈組成，在相鄰的非晶區中，纖維方向排列的聚合物鏈沒有構象約束，因此當加熱獲得構象熵時，它們可以提供較大的可逆收縮。前體纖維的這種內部排列使得纖維本身具有纖維各向異性的重要特性。通過給纖維加捻，纖維會形成扭曲，在纖維表面會形成偏轉角（用α表示，即纖維取向偏離中心軸的角度），公式為（其中r是纖維半徑，T是加捻密度，即插入捻度除以纖維長度，單位通常為turns/m）。
加捻后纖維內部貯存了大量的旋轉應力，在外界刺激（如加熱、通電、光照、化學反應）下，纖維內部發生體積膨脹，從而打破內部應力平衡，導致纖維發生解捻，產生旋轉運動。
高度加捻的纖維會自發形成螺旋卷曲的結構，這種結構為纖維提供了明顯的伸縮驅動。其伸縮現象可用彈簧原理解釋，線圈長度的變化與構成線圈的纖維長度、纖維捻度變化及線圈數有關。
螺旋卷繞型肌肉的伸縮與扭曲纖維的扭轉關系密切，且伸縮能力大小和應力與線圈的相對直徑（即線圈彈簧系數，平均線圈直徑與纖維直徑的比值）有很大關系。彈簧系數大的卷繞型肌肉能產生較大的驅動行程，但驅動力有限；彈簧系數小的卷繞型肌肉驅動力更大，但驅動行程相應減小。
此外，纖維加捻方向與線圈卷繞方向也是影響卷繞型肌肉驅動效果的關鍵因素。通常，同手性纖維（線圈卷繞時與纖維加捻方向相同）制備的卷繞型肌肉，纖維解捻時會引起肌肉在軸向方向上的收縮；異手性肌肉（線圈卷繞方向與纖維加捻方向相反）驅動時，肌肉在軸向方向上伸長。
主要類型
電熱驅動型纖維人工肌肉
電熱驅動型纖維人工肌肉的驅動一般是通過對人工肌肉兩端通電實現的，通電產生的焦耳熱使材料升溫，從而使得紗線體積發生膨脹，纖維的捻曲結構會導致其在體積膨脹后產生扭轉和伸縮以達到驅動效果。
美國德克薩斯州立大學達拉斯分校Baughman團隊將加捻后形成卷曲結構的碳納米管纖維填充客體材料石蠟，研制出碳納米管/石蠟復合材料人工肌肉。利用對碳納米管人工肌肉兩端通電產生的焦耳熱，使石蠟受熱后體積膨脹，導致人工肌肉直徑增大，打破內部捻應力平衡，從而誘導長度方向上的收縮，實現肌肉的旋轉和伸縮動作。該人工肌肉最大旋轉速度達到11500r/min，最大收縮量達到3%，負載超過本身重量的1×10?倍時仍具有很好的驅動效果，提供的機械功率達到自然骨骼肌的85倍。
Mirvakili等利用鎳鈦合金絲制備出旋轉人工肌肉。通過噴涂金材料增加導電性，將加捻后的鎳鈦合金絲下半部分涂覆金。當在兩端施加恒定電流時，未鍍金部分鎳鈦合金絲產生焦耳熱，加捻纖維直徑膨脹解捻，上半部分帶動下半部分產生轉動。該人工肌肉直徑膨脹達1.5%，長度收縮達4.5%，最大旋轉速度達到1.05×10?r/min，最大旋轉角度可達16(°)/mm，重力扭矩達到8(N?m)/kg。降溫時，可利用水或乙醇加速冷卻，將響應時間縮短到毫秒級。
南開大學劉遵峰團隊使用天然橡膠纖維和碳納米管，構建出集神經傳導、驅動、感知于一體的多功能人工肌肉纖維。通過給碳納米管層通電形成的電加熱效應引起橡膠層的熵彈性變化，實現橡膠纖維收縮驅動。收縮過程中，雙鞘層碳納米管褶皺接觸面積增加導致電阻增加，可通過測量電阻變化監測人工肌肉的長度變化。還設置電阻上限和下限自動連接和斷開肌肉，設計反饋回路，模擬人提舉重物時的自我保護機制。
熱驅動型纖維人工肌肉
熱驅動型纖維人工肌肉的基本原理是通過加熱使紗線體積發生膨脹，從而達到驅動效果。
Haines等將魚線纖維加捻、纏繞，制備成纖維狀人工肌肉驅動器。將一根聚己二酰己二胺纖維加捻直到自然形成卷繞狀態，或加捻后再將尼龍纖維纏繞到芯棒上進行熱定型處理，即可制備出纖維狀人工肌肉驅動器，多根肌肉以不同方式組合可形成復合型人工肌肉。加熱時，肌肉在長度方向上產生收縮動作；溫度降低時，恢復原長。單一纖維人工肌肉產生的收縮率最大可達到49%，提起重物的重量是人類肌肉的100倍，最大輸出功率可以達到5.3kW/kg。由尼龍纖維、導電鍍銀纖維以及聚酯纖維和棉纖維編織而成的織物，其由12根尼龍肌肉纖維組成的平行結構可以舉起3公斤重的重物，且增加了散熱面積從而提高循環速率。
法國UniversitédeBordeaux大學的Poulin團隊在研究聚乙烯醇有機高分子化合物纖維時，將捻曲技術和“形狀記憶”原理相結合，發現摻雜碳納米管和石墨烯后，具有平衡功能的旋轉式人工肌肉纖維的力學性能和驅動性能都得到顯著提高。PVA纖維的捻應力與溫度有關，加熱到程序溫度（高于其玻璃化溫度，如100℃）時加捻后降溫，可固定捻應力；再加熱到該溫度，可釋放捻應力。通過摻雜單壁碳納米管和氧化石墨烯，驅動性能得到有效增強。PVA-GO纖維人工肌肉在200℃時可產生大約21(N?m)/kg的扭矩，兩端固定后加熱到210℃，產生0.27錳m的扭矩，高于PVA-SWNT纖維和純PVA纖維的扭矩。自平衡結構可提高捻度保留率和能量密度，例如自平衡的聚乙烯醇GO纖維人工肌肉能量密度為2766J/kg，比非自平衡的高966J/kg。
電化學能驅動型纖維人工肌肉
電化學能驅動型纖維人工肌肉能夠直接將電能轉化為機械能，對低電壓驅動的人工肌肉發展具有重要意義。其原理是通過外加電壓使紗線外電解質溶液中的陰陽離子進入紗線孔隙，使紗線體積增大，達到驅動效果。
美國德克薩斯州立大學達拉斯分校Baughman課題組將碳納米管紗線加捻研制出扭轉纖維人工肌肉，通過電化學能方式實現驅動。在三電極體系中，將加捻的碳納米管紗線人工肌肉放入電解質溶液中，當電壓施加到導電電極時，在電解質-電極界面處形成雙電層。電化學作用下，電解質中的溶劑化離子插入碳納米管紗線孔隙，使人工肌肉體積膨脹，導致碳納米管人工肌肉解捻，產生旋轉運動。
漢陽大學的Kim團隊系統地研究了全固態電解質體系的雙螺旋碳納米管人工肌肉。碳納米管加捻形成紗線，浸漬到固態電解質溶液中，再將2根表面包裹著電解質溶液的紗線加捻在一起形成雙電極體系，一根作為陰極，另一根作為陽極。紗線過度加捻后形成螺旋卷繞結構。經過加捻的雙螺旋肌肉主要提供扭轉驅動，在5V電壓驅動下，可提供53(°)/mm的扭轉；卷繞型雙螺旋人工肌肉在提起重量為自身重量25倍的重物時，1V電壓驅動下收縮率0.52%，2.5V時達到1.3%。
美國德克薩斯州立大學達拉斯分校Baughman課題組與其合作團隊通過改變載體-活性客體結構分布提高人工肌肉的機械能，將能夠產生體積變化的活性客體材料作為殼層分布在載體紗線外層。這種“殼層驅動”形式的人工肌肉在提高機械能輸出密度和速率方面具有優越性，在1Hz方波電信號下，收縮率能達到4.7%，單位質量的機械功密度為0.99J/g，機械功率達到1.98W/g。
東華大學材料學院的朱美芳和王宏志合作開發了基于殼層結構的人工肌肉紗線，利用其開發出智能織物，能在環境濕度較高時自動提高孔隙率改善穿著舒適度，還展示了能感知外界葡萄糖含量并作出肌肉響應的殼層結構人工肌肉，在藥物緩釋領域具有潛在應用。
美國德克薩斯州立大學達拉斯分校Baughman團隊聯合江蘇大學丁建寧教授團隊、哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊等使用離子交換聚合物改變碳納米管纖維的零電荷電勢，該人工肌肉突破傳統人工肌肉單向驅動瓶頸，能收縮也能延長，提高了做功效率與能量密度，解決了電容依賴性問題，還可與商用棉紗制成人工肌肉織物。
中國科學院蘇州納米研究所邸江濤和李清文團隊利用原位靜電紡絲技術，將PVDF-HFP溶液均勻噴涂到碳納米管紗線上，得到包裹著PVDF-HFP納米纖維的CNT紗線。PVDF-HFP/CNT纖維加捻后自絞合，浸泡離子液體后形成人工肌肉。其孔隙結構可儲存大量離子液體，具有良好的離子電導率，可避免電極短路，能在30%~90%濕度范圍、25~70℃溫度范圍內正常工作，在空氣中長期儲存且打結后仍可正常工作，應力可達到10.8MPa，是骨骼肌的31倍，可應用于仿生機器人。
溶劑驅動型纖維人工肌肉
溶劑驅動型纖維人工肌肉一般是通過材料對溶劑的吸收導致體積變化來實現驅動。
清華大學曲良體團隊將石墨烯纖維加捻，研制出對濕度響應的旋轉纖維人工肌肉。該肌肉暴露在85%環境濕度下可快速旋轉，環境濕度恢復正常時快速恢復初始狀態，最大旋轉速度達到5190r/min，最大扭轉角達117720°，經過500個周期仍具有優異驅動性能。
復旦大學彭慧勝團隊用高度取向的碳納米管加捻后形成扭曲纖維，利用等離子氧處理使其具有親水性。多根處理過的碳納米管纖維一同加捻制得具備多級結構特征的碳納米管人工肌肉，纖維表面的羥基和空隙有利于水分子吸附和快速響應。該人工肌肉在80%環境濕度下可產生22.8MPa的收縮應力，接觸一滴水時可迅速產生170.3turns/m的扭轉。
中國科學院物理研究所的解思深團隊將聚3,4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）溶液和碳納米管相結合，制備出混紡型纖維人工肌肉。卷繞型碳納米管人工肌肉對水響應，表現出優異的旋轉和收縮性能，負載質量為纖維人工肌肉質量350倍時，總的扭轉行程為3720turns/m，同時產生24%的收縮應變，有效限制旋轉可使收縮率達到68%，對濕度變化的響應近似線性且具有電驅動能力，在水力驅動發電機、水分開關和微流控混合器等領域具有應用前景。
北京大學曹安源團隊通過將石墨烯/單壁碳納米管復合薄膜過度加捻后形成螺旋卷曲結構，研制出對水分響應的纖維人工肌肉。用水驅動時，水滴加到肌肉表面，纖維肌肉體積膨脹產生伸縮動作，軸向收縮可達到原纖維長度的50%。
東北林業大學苗孟河團隊利用羊毛、亞麻和棉花等天然纖維研制出對水響應的纖維型人工肌肉。通過過度加捻形成螺旋卷曲結構，用表面活性劑處理后比較吸附能力，棉花纖維制備的人工肌肉最大收縮量達到16.6%，最大做功能力達到200J/kg，是典型骨骼肌的25倍。利用該人工肌肉設計的通氣口，通常閉合，線圈和織物潮濕時收縮拉動褶葉卷曲通風，可用于衣物排汗。
中國科學院蘇州納米所的李清文和邸江濤團隊利用碳納米管研制出對丙酮濕度響應的自捻合人工肌肉。通過加捻形成螺旋卷曲結構，對折自捻合后利用丙酮溶劑驅動，肌肉吸附丙酮蒸汽后產生13.3%的可逆收縮，可提起重量是自身38000倍的重物且不產生旋轉運動，循環測試表明其具有良好的結構穩定性和驅動可逆性，利用焦耳加熱可增強丙酮解吸速率提高工作頻率。
南開大學劉遵峰課題組研發出對濕度響應的蠶絲人工肌肉。利用蠶絲纖維吸濕后體積膨脹，通過加捻、對折自捻合和熱定型，分別制備扭轉型和伸縮型蠶絲人工肌肉。蠶絲扭轉人工肌肉最大旋轉速度達到1125r/min，最大扭轉角為547(°)/mm，提供63.0錳m/kg的力矩；蠶絲收縮人工肌肉在環境濕度從20%變化到80%時，收縮率最大可達70%，伸長人工肌肉最大伸長率達到630%。利用其制備的智能織物，環境濕度增加時袖子沿經紗方向收縮率可達45%，濕度下降時恢復原長，可實現水分和熱量的管理功能。
劉遵峰團隊還將棉線纖維加捻、對折形成雙螺旋結構，制備出對濕度響應的棉線纖維旋轉肌肉，最大旋轉角度能達到42.55(°)/mm，最大旋轉速度可達720r/min，負載為肌肉本身重量46倍時產生的最大力矩為17.8(錳m)/kg，利用該肌肉設計了對濕度響應的智能窗戶，天氣晴朗時打開，陰雨時自動關閉。此外，竹紗線加捻后也可制備出濕度驅動型纖維人工肌肉。
劉遵峰團隊利用頭發中二硫鍵和氫鍵形成的交聯網絡，開發“智能燙發新技術”實現濕度響應的頭發人工肌肉自固定。將加捻的頭發纖維在巰基乙酸銨溶液中還原，再在月桂胺氧化物溶液中氧化形成新的S―S鍵交聯網絡，固定捻曲結構。可通過控制氧化程度調控驅動的可逆性和不可逆性，可逆的旋轉型人工肌肉實現122.4mm?1的旋轉，同手性和異手性伸縮性人工肌肉分別實現94%的收縮和3000%的伸長，可應用于濕度傳感器、電氣開關、軟拖網機器人和智能發型等。
武漢大學常春雨課題組受植物卷須啟發，將纖維素納米晶體作為增強劑和多功能交聯劑加入到丙烯酰胺等混合溶液中聚合成膠。將原始水凝膠纖維拉伸至1500%的應變，加捻后纏繞在軸上形成植物卷須形狀，浸入三氯化鐵溶液中固定形狀，得到可通過水或乙醇驅動的水凝膠人工肌肉，收縮應變高達87%，可用于微引擎、軟機器人等領域。
光驅動型纖維人工肌肉
以氧化石墨烯類人工肌肉為例，光驅動型纖維人工肌肉的驅動機理是：低能量近紅外光照射時，氧化石墨烯的光熱效應使纖維表面溫度快速升高，表面吸附的水分子蒸發，捻曲結構的纖維體積變化，從而引起收縮、旋轉。東華大學王宏志團隊通過濕法紡絲和加捻的方法制備了聚丙烯酸鈉(PAAS)/氧化石墨烯(GO)的捻曲結構纖維型人工肌肉，可在25℃、近紅外輻照下通過水分蒸發使纖維收縮旋轉。
麻省理工學院Anikeevak團隊利用“冷拉”技術制備了不同尺寸“黃瓜須”結構的人工肌肉，由聚乙烯(PE)和環烷烴彈性共聚物(COCe)組成的雙層不規則纖維制備而成。“冷拉”過程中COCe彈性體被拉長，復合纖維釋放預拉伸后自動縮回形成“黃瓜須”結構。實驗中，不同截面尺寸的人工肌肉在照射頻率為3s照射/10s休息時，可獲得溫差3.45℃，部分性能超過人類骨骼肌，還在人工肌肉表面涂覆銀納米線，通過測量電阻變化計算長度變化。
雖然現今制備的人工肌肉部分性能已超過生物肌肉，但還沒有任何人工肌肉能夠完全代替生物肌肉來完成各種功能。
參考資料 >
ZJUI石燁研究員Science發文：人工肌肉新突破.ZJUI石燁研究員Science發文：人工肌肉新突破.2025-10-24
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【中國科學報】他們讓人工肌肉也“彈性”十足.【中國科學報】他們讓人工肌肉也“彈性”十足.2025-10-24
新材料帶來更強壯靈活人造肌肉.中國科學院.2025-10-24
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人工肌肉也能“彈性”十足?他們揭秘彈性驅動新機制.科學網.2025-10-24
纖維型電驅動人工肌肉：軟體驅動新動力 | NSR.知社學術圈.2025-10-29
實驗室劉英想教授團隊綜述文章拓展卷繞型人工肌肉在機器人領域應用新思路.機器人技術與系統全國重點實驗室.2025-10-29
纖維型人工肌肉的研究進展.高分子學報.2025-10-24