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  氣動(dòng)人工肌肉（PAMs）是一種柔性流體驅(qū)動(dòng)器，醫(yī)療、機(jī)器人、軍事、航天等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。其組成包括氣囊、編織套管、端部連接件以及壓縮機(jī)、氣泵等外接設(shè)備，導(dǎo)致體積龐大，限制了便攜性和小型化應(yīng)用。近年，利用內(nèi)部壓力控制（如燃燒、氣液相變等）等策略開發(fā)的無纜氣動(dòng)人工肌肉，在小型化方面取得一定進(jìn)展。但是利用類似天然肌肉含水量的水凝膠制備大形變、快響應(yīng)的氣動(dòng)人工肌肉仍然存在挑戰(zhàn)。這主要受限于傳統(tǒng)水凝膠滲透壓驅(qū)動(dòng)機(jī)制，其形變依賴于聚合物網(wǎng)絡(luò)溶脹/退溶脹，導(dǎo)致響應(yīng)速度緩慢。此外，如何調(diào)控水凝膠驅(qū)動(dòng)器的模量，滿足其在一定氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定形變，也是開發(fā)氣動(dòng)水凝膠人工肌肉的核心技術(shù)難點(diǎn)。

  近日，武漢大學(xué)常春雨教授課題組提出一種小型化策略，構(gòu)建具有突跳失穩(wěn)特性的水凝膠，開發(fā)無纜PAMs。這種氣動(dòng)水凝膠人工肌肉在20 °C下加壓至臨界壓力附近（穩(wěn)定狀態(tài)I），由于疏水相互作用和纖維素納米晶體的存在，水凝膠具有高模量，僅發(fā)生輕微膨脹；當(dāng)溫度升高到70 °C時(shí)，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中疏水相互作用削弱，導(dǎo)致水凝膠的交聯(lián)密度下降，模量降低，壓力-體積曲線下移，內(nèi)部氣壓超過臨界壓力，觸發(fā)突跳失穩(wěn)，水凝膠人工肌肉迅速膨脹至穩(wěn)定狀態(tài)II，徑向驅(qū)動(dòng)速度達(dá)200 % s^?1，整個(gè)過程可在10秒內(nèi)完成。該氣動(dòng)水凝膠無需外接壓縮機(jī)和氣泵，通過熱刺激切換水凝膠模量變化，觸發(fā)突跳失穩(wěn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)無纜小型化驅(qū)動(dòng)。此外，本文演示了小型化水凝膠PAMs在可控潛水裝置和集成滾動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，展現(xiàn)出感知和改變環(huán)境的能力，為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供新思路。

氣動(dòng)水凝膠人工肌肉的設(shè)計(jì)、形變機(jī)理及驅(qū)動(dòng)過程

  該工作以“Temperature-triggered inflatable hydrogel muscles with snap-through instability for untethered robots”為題，發(fā)表在《Nature Communications》上。武漢大學(xué)博士研究生崔言德為第一作者,武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院常春雨教授和武漢大學(xué)中南醫(yī)院李兵教授為通訊作者，武漢大學(xué)碩士研究生胡建華和董子揚(yáng)為論文共同作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（52073217，52373104）的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58731-4

  課題組網(wǎng)頁：https://www.x-mol.com/groups/Chang_cy