人工肌肉的研究进展及其在康复医学中的应用.pdf

11 46 中国康复理论 实践 2 0 0 8年 1 2月第 1 4卷第 1 2期 ch i n j re h a b i l th e 0 r y p r a c t ， dc e 2 0 0 8 ， v。 1 1 4 ， no 1 2 人 工肌 肉的研 究进展 及 其在 康 复 医学 中的应 用 高峰 ， 李建 军 ， 魏鹏 绪 ， 刘舒 佳 综述 摘要 在现有的人工肌肉研究 中， 尽管人工合成活性生物肌 肉相 当困难 ， 但把 肌 肉的功 能应用 于技 术 【 i 已经 开始尝试 。随 着材料技术和数学理论结构模 型的发展 ， 人类 已研制 出不 同材料 l j 结构 的人 工肌 肉， 但对其 特性和推 广应用 尚需进一 步 的研究 。 在不久 的将来 ， 人工肌 肉在医疗器械 、 康复 医疗 、 仿生 、 智 能机器人 、 军用武 器、 航 空航 天等诸 多领域必将发 挥很大 的作用 。作者就 目前 已有 的人工肌 肉的类型 、 特性 、 在康复 医学 中的廊用及其性能评估做一综述 。 关键词人工肌 肉； 康 复医学 ； 综述 pr o g r e s s o f ar t i f i c i a l m u s c l e re s e a r c h a n d i t s ap p l i c a t i o n i n re h a b i l i t a t i o n m e d i c i n e r e v i e w) ga0 fe n g，li ji a n j u n， w ei pe n g z “，e t a 1 c a pi t a l me di c a l un i v e r s i t y sc h o o l o f re h a b i l i t a t i o n m e di c i n e，ch i n a re h a b i l i t a t i o n re s e a r c h ce n t e r ，be i j i n g 1 0 0 0 6 8， chi n a ab s t r a c t ：i n t he f i e l d o f a r t i f i c i a l mus c l e( am )r e s e a r c h，i t i s v e r y di f f i c u l t f o r huma ns t o ma ke t he bi ol o gi c a l mu s c l e s，b ut t he r e a r e e x pe r i me nt s t r yi n g t o put t h e f un c t i o n of mu s c l e s i nt o p r a c t i c e of t e c hn ol o gy w i t h t he d e v e l opme nt of ma t e r i a l s a n d mo de l s o f mat he ma t i c s t h e or i e s，pe o pl e ha v e ma d e t h e am of di f f e r e nt ma t e r i a l s a nd mod e l s t r u e。ho we v e r ，a s f a r a s t he c h a r a c t e r i s t i c s 0 f t h e m a nd t h e wi de l y u s e d a r e c o nc e r n e d，t he y ne e d de e p l y s c i e n t i f i c r e s e a r c hand，i n t he n e a r f u t u r e，am wi l l pl a y a n i mpo r t a n t r o l e i n me di c a l e q ui pme n t s ，r e h a bi l i t a t i on me di c i ne，b i oni c s ，i nt e l l i ge nt r o bo t s，mi l i t a r y we a p o ns，a er o s p a c e，e t c th e a ut h or s r e v i e w t h e t yp e s，c ha r a c t e r i s t i c s，ap pl i c a t i on i n r e h a bi l i t a t i on，a s we l l as t he f un c t i on e v a l u at i o n o f am ke y wo r d s ：a r t i f i c i a l mus c l e( am )； r e ha b i l i t a t i o n m e di c i ne； r e vi e w 中图分类号r 3 1 4 文献标识码a 文章编号1 0 0 6 9 7 7 1 ( 2 0 0 8 ) 1 2 1 1 4 6 0 3 本文著录格式高峰 ， 李建军 ， 魏鹏绪 ， 等人 肌 肉的研究进展及其在康复医学 l f | 的应用 j 中国康复 理论 与实践 ， 2 0 0 8 ， 1 4( 1 2)： 11 46 11 4 8 随着 现 代 科 技 和 工 业 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 出现 了 一 些 新 技 术 和新材料 ， 为临床及康复 医疗 的发展提供 了许多潜 在的技术 和 材料储备 。町收缩 ( 致 动) 材料及结 构模 型是一 种可 望得 到广 泛应 用 的 医学 新 材 料 和 新 技 术 ， 这 种新 材 料 和 新 技 术 就 是 人 工 肌 肉 。 目前 ， 国 内外 已有 诸 多 学 者 致 力 于 此 项 研 究 ， 并 取 得 重 大进 展 。但 人 工 肌 肉 的 特 性 与 动 物 肌 肉 的 特 性 相 比 还 有 相 当 大 的差 异 。作 者 就 人 工 肌 肉的 分 类 、 工 作 原 理 、 特 性 、 研 究 现状 及 在康 复 医学 中 的应 用 情 况 进 行 综 述 。 1 人 工 肌 肉 的分 类 人工肌 肉根据其材 料结构 和能 量来 源分为 内在 收缩式 和 外在 收缩 式 0 j 。 内在 收 缩 式 人 工 肌 肉 是 一 种 具 有 简 单 收 缩 功 能 的对 周 围环 境 有 反 臆 的 化 合 物 ， 按 其 发 展 历 程 分 为 “ 化 学 机 械 能 型 ( c h e mi c a l me c h a n i c a l ， cm ) ” 和 “电一 化 学 机 械 能 型 ( e l e c t r i c a l c h e mi c a l me c h a n i c a l ， ecm) ” ， 前 者 是 指 由化 学 能 直 接 转 化为机械能 的收缩材 料 ； 后者又 分为 两代 ， 传导 离子 的聚合物 为第 一代 ， 传导电子的为第 一代 。外在收缩式 人工肌 肉 日前 有气 动人工肌 肉( p n e u ma t i c a r t i f i c i a l mu s c l e ， p a m) 、 液体 驱动 人 工肌 肉 和磁 性 橡 胶 人 工 肌 肉 。 2各 种 人 工 肌 肉 的 工作 原 理 、 特 性及 其在 康 复 医学 中的 应 用 2 1 内 在 收缩 式 人 工 肌 肉 目前 开 发 出 来 的有 内 在 收 缩 作 用 的致 动材 料 按 特 点 可 分 为 以 下 主 要类 型 3 ： 2 1 1 p h 响 应 型 水 凝 胶 ( p h r e s p o n s i v e h y d r o g e l s ) 该 材 料 能 在水 中溶 胀 ， 随 酸碱 度 的变 化 ， 纤 维 有 可 逆 收 缩 和溶 胀 ， 并 将 化学 能 转 化 为 机 械 能 ， 对 其 的研 究 在 少 数 发 达 国 家 已 取 得 较 大 进展 。p h 响应 型水凝胶 长度变化 约为 8 0 ， 收缩 响应时 问不 到 2 s ， 目前 已用 于 直 接 心 脏 辅 助 装 置 的 研 究 中 。 最 近 ， i s ma i l 等采用壳多糖经过 一系列 生化 作用 制成 的新型 生物材 料 电驱动生物聚合体水 凝胶 多聚阴离子集合 体微纤维 ， 在周 围 作者单位 ： 1 首都医科大学康复 医学院 ， 北京市 1 0 0 0 6 8 ； 2 中国康 复研究 中心 ， 北京市 1 0 0 0 6 8 。作者简 介 ： 高峰 ( 1 9 8 5) ， 男 ， 江 苏南通 市 人 ， 硕士研究生， 主要研究方 向： 脊柱脊髓损伤治疗 与康复。 环 境 p h 值 变 化 或 给 予 电刺 激 时 ， 会 产 牛 化 学 或 电化 学 式 的驱 动作用 一 。 由于掺进了多聚阴离子 ， 与单纯 的牛物聚合体在 性 能 上具 有 质 的 区别 ， 尚需 进 一 步 研 究 。 2 1 2 电化 学 型 导 电聚 合 物 ( e l e c t r o c h e mi c a l l y r e s p o n s i v e c o n d u c t i n g p o l y me r ) 是 聚合物 表面经 修饰后 形成 的结 合型 聚合 物， 在电化学氧化还原条 件下 ， 活动 层压 迫双层 结构组 合体使 其 弯 曲 ， 发 生 容 积 变 化 。这 种 材 料 弹 性 模 低 ， 目前 主 要 向微 形化设备发展 ， 在抽 吸牛物标本和注射 药物等方 面已有应用研 究 。 2 1 3 电场 反 应 弹 性 体 ( e l e c t r i c f i e l d r e s p o n s i v e e l a s t o me r ) 为单轴 或双轴预应力膜材 ， 收缩 比为普通 聚丙烯 的 2 1 5 ， 其原理是利用麦克斯韦 电场力 的效应 ， 收缩 比、 挤压力 、 反应 时 间等指标均超过天 然肌 肉， 应 用 电压 高达 干伏 ， 有击 穿生物 体 的可能 。由于该材料只能制成 薄膜形式 ， 实 际 用 中要进行 集成制作技术开 发。近来 出现 的 由丙烯 酰胺和 羧酸诱 导剂合 成 的水 凝 胶 ， 在 中性 条 件 下 施 加 很 低 的 电 压 ( 3 v) 即 能 发 挥 功 能。其 电驱动功能与水凝胶前体的溶解和聚合状态有关l 6。 2 1 4 电 解 相 变 刊 收缩 材 料 ( e l e c t r o l y t i c p h a s e t r a n s f o r ma t i o n a c t u a t o r s ) 原 型 很 简 单 ， 原 理 类 似 燃 料 电池 ， 是 在 水 分 解 时 从 液相 变 为气 相 的过 程 中 ， p 寸 体 积 变 化 产 生 化 移 和 动 能 。该 材 料 的构 成 为 电 极 和 电 解 液 ， 即 水 、 硫 酸 、 铂 电 极 、 隔 膜 和 电 池 槽 。 采用 这 种 机 婵 的致 动 器 膨 胀 比可 以很 大 ， 需 要 进 行 新 的技 术 处 理将其控制到很 小。 目前 尚九 将这 种燃 料 电池 以聚 合物 的实 物形 式 生 产 以制 成 人 工 肌 肉成 品 的 相 关 报 道 l 7 。 2 1 5 场 致 电收 缩 型 聚 合 物 ( f i e l d e l e c t r 0 s t r i c t i v e p o l y me r s ) 有 电敛伸 缩弛豫 铁 电聚合 物 ( e l e c t r o s t r i c t i v e r e l a x o r f e r r o e l e c t r i c p o l y me r s ) 和 电致 伸 缩移 植体 聚合 物 ( e l e c t r o s t r i c t i v e g r a f t e l a s t o me r s ) 两种 。1 9 9 8年 ， s c i e n c e杂 志 曾刊 登相 火研 究 论 文 ， 该 材 料 由 2 5 4 o“ m 厚 的 偏 二 氟 乙烯 一 二氟 乙烯 对 半掺 比的 共 聚物 p ( vd f t r e e ) 薄膜制成 ， 外被覆金电极膜 ， 具有很 高的 能量密度 ， 制作 时使用 电辐射加工 。 2 1 6 液 晶 弹性 体 ( 1 i q u i d c r y s t a l e l a s t o me r s ) 目前 已 开 发 的 中国康复理论与实践 2 0 0 8年 1 2月第 1 4卷第 1 2期 c h i n j re h a b i 1 th e 。 r y p r a c t ，d c e 2 0 0 8 ， vo 1 1 4 ， n。 1 2 1147 是光致敏式液晶收缩 材料 ， 即通 过光 可使液 晶材 料弯 曲 ， 这种 结构材料更适用 于产 生微 小尺度的动力 ， 也有其 他液 晶收缩材 料 的研 究 成 果发 表 l 】 。 2 1 7 离子聚合物金属 复合 物( i o n i c p o l y me r me t a l c o mp o s i t e ， i p mc ) 该材料是 以氟聚合物为 骨架 的膜 材 ， 表 面结合 铂或金 以形成 复合物 ， 制成树枝状电极 ， 驱 动电压在 4 7 v时 胶条 向 正 极 弯 曲 ， 弹性 好 ， 可 产 生 1 0 1 o o 的位 移 和 1 o 3 0 mp a 的压力 。早在 1 9 9 3 年 ， 美国能源部国家实验室就把 i p mc注册 成 世界首个合成人工肌 肉专利 。对 i p mc的研究 已相 当成熟 ， 近来 该 材 料 在 人 工 心 脏 方 面 的应 用 有 了新 的发 展 8 。 2 1 8 碳 纳 米 管 收 缩 材 料 ( c a p a c i t a n c e d r i v e n c a r b o n n a n o t u b e a c t u a t o r s ) 该 材 料 是 随着 纳 米技 术 的发 展 而 产 生 的 。1 9 9 9 年 ， 新型材料电容驱动式 碳纳米 管被 用作 致 动器 ， 原理 是把 碳 纳 米 管 加 工 后 制 成 纸 片 状 条 ， 两 边 施 加 电 压 ， 其 反 应 快 达 1 5 hz ， 可 在 0 5 v 下 6 o次 mi n运 行 1 4万 次 ， 效 率 为 3 3 ， 压 力 达 0 7 5 mp a 。该类 纳米 材料 目前发 展势 头 十分迅 猛 ， 但造 价 昂贵， 限制了该材料 的快速发展 。有研究者 将这种碳 纳米管 少 量加入到多聚阴离子集合体纤维 中， 显著改 善 了多 聚阴离子 集 合体纤维的电化学力学特性 ， 大大 提高 了其 作为人工 肌 肉的驱 动 性 能 。 2 1 9 磁 敏 型 收 缩 材 料 这 是 一 种 磁 敏 纤 维 和 溶 剂 组 分 敏 感 材料 。在纤维中引入液状磁性流体可保 持超 常的磁性 ， 以产 生 沿 磁 场 方 向 伸 缩 的 行 为 。通 过 调 节 磁 性 流 体 的 含 量 和 交 联 密 度等因素 ， 可 以得到对磁刺激 十分 灵敏 的凝 胶纤维 。利用高分 子 链 与 溶 剂 的 相 互 作 用 力 变 化 ， 非 聚 电 解 质 凝 胶 纤 维 对 溶 剂 组 分 的变化能产生响应。此类 材料 可 由 p va和聚烯丙胺 等加工 而 成 ， 产 生 的力 达 1 6 7 n， 收 缩 率 为 3 2 ， 仅 重 1 9 0 g 。墨 西 哥 学 者用稀土材料 做成 的此种 收缩 材料 已用 于人工 假体 肌 肉的再 造 ， 能 达 到 很 好 的 随 意 控 制 效 果 1 。 2 1 1 0 其他材料毛立江等报道 ， 以丙烯 睛为单体 ， 借助非均 相 的 接枝 共 聚 和水 解 反 应 ， 由纤 维 素 纤 维 制 备 的 离 子 化 水 凝 胶 纤维具有优异 的化学力学特性 ， 有 望开发新 型人工肌 肉 。另 外 ， 还有处于早 期研发 中的分 子致 动塑料 ( mo l e c u l a r a c t u a t o r ) 和传导型 聚合物 ( c o n d u c t i n g p o l y me r s ) _ 3 ” ； 近几 年兴 起 的形 状 记忆 合 金 具 有 很 高 的能 量 密 度 ， 但 其 响 应 速 度 慢 和 产 热 大 是 在 实 际应 用 中需 要 解 决 的 问题 i 】 “ 。 2 2 外 在 动力 收缩 式 人 工 肌 肉 2 2 1 pma p ma 是 流 体 驱 动 人 工 肌 肉 的 一 种 ， 是 人 工 肌 肉 中历 史 最 悠 久 的 。 流体 驱 动 的 人 工 肌 肉早 在 2 o世 纪 3 o年 代由俄罗斯发 明家 ga r s i e v设计 并制 造 ， 按 结构 形式 可分为 三 大类 ： 编织式人工肌 肉、 网孔式人工肌 肉和嵌入式人工肌 肉 1 。 编 织 式 人 工 肌 肉 诞 生 于 2 o世 纪 5 o年 代 后 期 ， mc ki b b e n 将其用作矫正驱动 装置 ， 但存 在气动 能源 供应 、 实 用性 及气 动 阀 的控 制 等 问题 ， 严 重 阻碍 其 发 展 。2 o世 纪 8 o年 代 晚 期 ， 日本 br i d g e - s t o n e公 司再 次 推 出 这 种 形 式 的 肌 肉 ， 取 名 ru b b e r t u a t o r ， 用 于 驱 动工 业 机 械 臂 。从 那 时 起 ， 一 些 研 究 机 构 开 始 用 这 种 pam 驱 动 机 器人 。 编 织式 人工 肌 肉 主要 由 内 在 的 气 密 弹性 管和套在其外面的编织套组成 ， 当气 密弹性 管 内加压 时发生 变 形 ， 带 动编织套一起 径 向移动 ， 编 织角 增大 ， 编 织套 轴 向缩短 ， 拉动两端的负载 ， 与此 同时 ， 编织 套 的纤 维丝产 生拉力 ， 此拉力 与气密弹性管 内压 相平衡 。由于此 种肌 肉是 由气 密弹性 管推 压 编 织 套 来 工 作 的 ， 故 不 能 在 负 压 下 工 作 。 根 据 气 密 弹 性 管 的 结构 形状 和 其与 两 端 附件 结构 的连接 不 同 ， 主 要分 为 mc k i b b e n肌 肉和套囊肌 肉两 种 。前 者呈 筒状 ， 内部 的气 密 弹性管 两端与编织套的两端一起 与两端的连接 附件相连 ； 后 者呈球囊 状 ， 气密弹性管两端 封 闭且 不与 两端 的连接 附件 相连 ， 只有外 部 的编织套 两端与两 端 的连接 附件相 连 。这些 结构 特点 决定 了这两种人工肌 肉各 自的性能特 点。mc k i b b e n肌 肉是 当前研 究 和使用最广泛 的一种气 动人 工肌 肉， 现有公 开发表 的文献 中 对其 的介绍也最 多， 该人工肌肉采用 的典 型材料 是橡胶 和尼龙 纤维 ， 特 点是 功率 重量 比很 高。套囊 肌 肉虽然 气密 弹性 管不 承受负载产生 的拉 力 ， 但在 肌 肉收 缩过 程 中， 橡胶 薄膜 仍要 储 存一部分变形能 ， 从而 减小 了肌 肉输 出的力 ， 优点 是安 装相 当 容 易 。 网孔式人工肌 肉与编织 式人 工肌 肉 的区别在 于 编织套 的 疏密程度不 同。编织式肌 肉的编织 套 比较 密， 而 网孔式肌 肉的 网孔 比较 大 ， 纤 维 比较 稀 疏 ， 网是 系 结 而 成 的 ， 因此 这 种 肌 肉 只 能在较低 的压力下 工作 ， 主要 有 ya r l o t t 型肌 肉、 r0 mac ( r o b o t i c mu s c l e ac t u a t o r ) 肌 肉和 ku k o l 肌 肉 。ya r l o t t型 肌 肉 于 1 9 7 2年 由 ya r l o t t 申请 了美 国 专利 。ya r l o t t 型 肌 肉是 一个长 圆 形 的 弹 性 球 ， 外 面是 粗 纤 维 编 织 成 的经 纬 网 ， 外 形 呈 辐 射 状 ， 在 充 分 膨胀 状 态 下 呈 椭 球 状 ， 当 承受 负 载 力 时 外 形 出 现 峰 谷 形 状 。rom ac肌 肉是 1 9 8 6年 由 i mme g a和 ku k o l j 设 计 的 1 ， 1 9 9 0年获美国专利 。该 肌 肉呈鞘 壳状 ， 具有 强度高 、 柔 顺性和 气密性 好等特点 ， 织 网 由不 能伸 长但 易弯 曲 的粗 纤维 制成 ， 节 点处为四面钻石形 ， 当肌 肉径 向膨胀 、 轴 向收缩 时 ， 封 闭体积发 生变化 ， 但 由于鞘 壳 的材 料抗 拉 强度 很 高 ， 鞘壳 的面 积不 变 。 这 种肌 肉可在高压下工作 ， 工作压力可达 7 0 0 k p a ， 工作负载达 1 3 6 0 0 n， 收缩率达 5 o 。ku k o l j 肌 肉于 1 9 8 8年 由 ku k o lj申 请 了美 国专利 。该肌 肉与 mc k i b b e n肌 肉结 构相似 ， 主要 差别 在 于它 们 的 编 织 套 ， mc ki b b e n肌 肉 的 编 织 套 比 较 紧 密 ， 而 ku k o l j 肌 肉 的 网 孔 较 大 ， 且 在 自 由状 态 下 网 与 膜 之 间 有 一 间 隙， 只有在膨胀较大时此间隙才会消失 。 嵌入式人工肌 肉的承受负 载构 件 ( 丝 、 纤 维) 被嵌入 到弹性 薄膜里 ， 这类肌肉多以发明人的名字命名 ， 主要有 四种 ： mo r i n肌 肉 ： 产 生 较 早 ， 1 9 5 3年 由 mo r i n设 计 1 。 ， 承 载 构 件 ( 丝 、 纤 维) 嵌 入到弹性薄膜里 ， 使 用 的纤 维 强度很 高 ， 一 般为棉 线 、 人 造丝 、 石棉或钢丝等 ， 纤维丝可 以沿 轴 向布 置， 也 可以左右旋 双 向螺旋缠绕 ， 由两相 材 料制成 的弹性 管两 端 固 定在 两端 附 件 上 ， 两 端附件起 密封及 承载作 用 ， 工作介 质可 以是 空气 、 水、 油 ， 甚至水蒸汽 ； b a l d wi n肌 肉： 1 9 6 9年由 b a l d w i n在 mo r i n肌 肉 的基础上设计而成 ， 由很 薄 的弹性 薄膜构 成 ， 在 弹性薄 膜 内轴 向布置玻璃丝 ， 故轴 向的弹性模 量 比周 向的 弹性模量 大 ； 负 压 工 作 的 人 工 肌 肉 ( u n d e r - p r e s s u r e a r t i f i c i a l mu s c l e ， up am ) ： 结构与 mo r i n肌 肉相 似 ， 工作 时弹性 管 内的空 气从 气孔 吸出 ， 管 内产生负压 ， 在 大气压 的作用 下 弹性管径 向收缩 ， 从 而引起 轴向收缩 ； p a y n t e r 双 曲面肌 肉： 由 p a y n t e r 设计 ， 1 9 8 8年获得 美国专利 ， 编织丝嵌入在 弹性薄膜 中 ， 又笔直地 连接 在两端 的附件上 ， 形成 回转双 曲面， 自由状 态下的肌 肉长度是最大值 。 除上述三大类外 ， 还有 特种 肌 肉， 具 有与 动物肌 肉相 似 的 轴向伸缩动作和动物肌肉所不具有 的弯 曲及旋转 动作 ， 主要有 旋 转肌 肉、 三 自由度肌 肉和单动作弹性管及其组合 。 目前 ， p ma 已应用 于仿生机器 人关节 。如英 国 s h a d o w研 制的两 足 自主行走机 器人 ， 其膝关节都 安装有 多根气动 人工肌 肉 ， 为其行走提供动力 。英国 s h a d o d o w公 司、 美国 wa s h i n g t o n 大学 、 日本 b r u d g e s t o n e 公 司等 均采用 人工 肌 肉设计 了仿生 手 臂 ， 具有人类手臂 的 自由度 和柔 韧性_ 。英 国 s a l f o r d大学研 制 的仿 生机 器人 多 指灵 巧 手手 指 的每 一 个关 节 用两 根 mc k i b b e n型气动人工肌 肉拉动一 根微 收缩 性 的钢丝 驱动 ， 同样 也 具备人手 的功 能。也 有研 究者 利用气 动人 工肌 肉和表 面肌 电 1 1 4 8 中国康复理论与实践 2 0 0 8 年 1 2 月第 1 4 卷第 1 2 期 c h i n j r e h a b i l t h e o r y p r a c t ， d c e 2 0 0 8 ， v o 1 1 4 ， n o 1 2 信号 ( s u r f a c e e l e c t r o my o g r a m， s e mg) 驱动 和控制 膝 、 肘关 节， 以实 现 人 工 膝 关 节 和 肘 关 节 置 换 的 完 美 功 能 1 9 。也 有 研 究 者将气动人工肌 肉和神经 网络算法 联合应用 研发 出机器 人 卜 肢 ， 能调整 p am 的基础结构 以最佳地适 应外界 负荷状 态的变 化 ， 具有很好 的仿生性能口 。随着科研工作者对气动人工肌 肉 基本特性认识的不断提高 ， 将对仿生机 器人学和仿生 人工关节 及假体 的发展起 到巨大 的推动作 用。用气 动人工 肌 肉替 代人 体残缺 的或失去功 能的肢 体， 可 实现 良好 的经济 和社会效 益 ， 因 此发 展 前 景 广 阔 。 2 2 2 液 压 人 工 肌 肉( h y d r a u l i c mu s c l e ， hm) hm 是 在 现 有 p am 的基 础 上发 展 起 来 的 一 种 采 用 液 压 驱 动 的 新 型 人 工 肌 肉 。通 常情 况 下 ， 液 压 系 统 的工 作 压 力 比相 应 的 气 动 系 统 高 许 多倍 ， 而且液 介质 流经 阀 口时 的噪声 较小 及具 有 不可 压缩 性 ， 因而 hm 将较 p am 具有输 山力大 、 工作 噪声小 、 传动精度 和 重复 度 高 等 优 势 。按 驱 动 介 质 的 不 同 ， hm 分 为 油 压 人 工 肌 肉( o i l h y d r a u l i c mu s c l e ， 0hm) 和水 j玉人工肌 肉( wa t e r h y d r a u l i c mu s c l e ， w hm) 2 。在 进 步 明 确 液 压 驱 动 特 性 和 t 作 机 理 等基础上 ， 逐渐过 渡到 以 hm 成熟产品 的位置和力控制策 略 等 应用 基 础 研 究 。 hm 主 要 应 用 于 超 级 机 器 人 的 研 究 ， 如 驱 动 处 理 核 废 料 的 机 械手 、 自动 生 产 线 中用 于 驱 动 夹 紧 和 定 位 装 置 以 及 食 品 、 汽 车等生产线 中用 于驱动各 种操作 器 的装 置等 ； 在 康复 工程 中， 目前 已有 液 压 驱 动 的助 行 器 ” 。 2 2 3 磁性橡胶人 i 肌 肉 主要 由激 磁线圈 、 磁 性橡胶体 、 铁 和微 型热 管 组 成 ， 原 理 是 通 电后 磁 芯 问 的 相 互 吸 引 产 生 位 移 ， 导 致 橡 胶 体 变形 ， 带 动 人 工 肌 腱 驱 动 关 节 。断 电 后 ， 电磁 力 消失 ， 磁性橡 胶体 恢复 原状 。磁性 橡胶 既 有高 分子 材料 的弹 性 ， 又 有 软 磁 材 料 的 磁 性 ， 构 成 柔 性 磁 路 ， 起 导 磁 、 磁 屏 避 和 改 善 磁 路 的作 用 。根 据 仿 生 学 研 制 的 磁 性 橡 胶 人 工 肌 肉 不 需 要 减速装置和传动机构 ， 可以像 生物肌 肉那样 以“ 拮抗 肌” 的形 式 通过伸缩直接驱 动 ， 改善 了驱 动力 的特性 ， 并采 用热 管有效 地 强 化 散 热 ， 因而 此 种 人 工 肌 肉 结 构 简 单 ， 动 作 灵 活 ， 易 于 控 制 ， 功率重量比大， 能量转换率高。但 磁性橡胶 仿生人工肌 肉从 理 论 研 究 到 实 际应 用 尚需 要 一 段 时 间 2 4 r 。 3 人 工 肌 肉的 性 能 评 价 及研 究方 向 人体骨骼肌具有如下生物学 -j 力学性能 ： 能直接 把化学 能 转 化 为 机 械 能 ， 能 量 利 用 率 高 达 5 o ， 能 量 密 度 高 ； 直 接 驱 动骨骼运动 ， 不需要减速装置和传动元 件 ； 属于单 向力装 置 ， 运 动 形 式 是 直 线 往 复式 ， 肌 肉 总 足 处 于 部 分 收 缩 状 态 以 具 有 一 定 的承 载 能 力 ， 有 利 于 从 “ 松 弛 ” 状 态 向 “ 收 缩 ” 状 态 转 化 ； 关 节完成某一运动时通 常是几块 肌 肉配合完 成 的， 包括 原动 肌、 协 同肌 、 拮 抗 肌 和 固定 肌 ， 原 动 肌 起 主 动 作 用 ， 协 同肌 可 协 助 原 动肌群工作 ， 拮抗肌 以自身的拉力 阻挠 运动 ， 完成退让 ， 固定肌 为 其 他 肌 肉的 驱 动 建 立 支 撑 条 件 ； 大 多 数 骨 骼 肌 都 足 以 “ 拮 抗 肌 ” 的形 式 成 对 排 列 。 据此 ， 常采用荸量 、 体积 、 疲劳寿命 、 负载作 功能力 、 动作潜 伏期 ( 即响应时 间) 、 收缩速度 、 收缩 率 、 最 大压力和效 率等指标 评价仿生学上的人工肌肉的性 能。在现有研 究的基础 上， 尢论 是 材 料 型 的 内在 收缩 式人 工肌 肉 ， 还 足 结 构 型 的外 在 收 缩 式 人 工肌 肉， 缩短 动作潜伏期 、 提高收缩 速度 、 改善收缩率 和提高工 作效率等是今后研 究 中需 要解决 的关键 问题 。这 就涉及 到制 作 的材料及 工艺 、 能量转换方式、 精 确的控制 方式 、 建立 精准 的 工 作 模 型 等 方 而 2 。 总 之 ， 人 工 肌 肉作 为 一 种 新 型 的 物 理一 化 学一 牛 物 工 程 产 品 ， 正 处 于 研 究 、 开 发 阶 段 。无 论 是 研 究 机 构 ， 还 是 商 、 公 司 ， 都 对 人工肌肉有很 大的研究 兴趣并 取得 一定成果 。人 工肌 肉除应 用于机器人领域外 ， 在临床及康 复医学 中有更广 阔的用途和应 用前景 ， 如制造人工器 官 、 人工 驱动关 节、 人工假体 等 ， 具有一 定的替代作用 ， 可 以帮助残疾 人和 老年人 完成 日常生 活动作 ， 从而提高牛命 质量 。人工 肌 肉的研制成 功将成 为康 复医学 的 一 个里程碑 ， 但其广泛应用于医学 临床还有很 长的路要走。 参考文献 1 张 良平人工肌肉临床应用 前景 j 国际生 物医学杂 志， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 1 )： 1 4 1 7 2 李新贵， 张瑞锐 ， 黄美荣 ， 等导电聚合物人工肌 肉 j 材 料科学与 工 程 学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 2 8 1 3 1 3 mi r f a k h r a i t，ma d d e n j dw，b a u g h ma n rhp o l y me r a r t i f i c i a l mu s c l e s j ma t e r i a l s to d a y ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 4 ) ： 3 1 3 8 r 4 i s ma i l ya，s h i n s r，s hin km ，e t a 1 el e c t r o c he mi c a l a c t ua t i o n i n c h i t o s a n p 0 l y a ni l j n e mi c r o f i b e r s f o r a r t i f i c i a l mu s c l e s f a b r i c a t e d u s i n g a n i n s i t u p o l y me r i z a t i o n e j s e n s ac t u a t o r s b c h e m， 2 0 0 8 ， 1 2 9： 8 3 4 8 4 o 5 j a g e r e wh， s me l a e，i n g a n a s omi c r 。 f a b r i c a t in g c o n j u g a t e d p o l y me r a c t u a t o r s j s c i e n c e ， 2 0 0 0 ， 2 9 0 ： 1 5 4 o 1 5 4 5 r 6 mo s c h o u ea，ma d o u mj ，ba c ha s lg，e t a 1 vo l t a g e s wit c h a b l e a r t i f i c i a l mu s c l e s a c t u a t i n g a t n e a r n e u t r a l p h j s e n s ac t u a t o r s b ch e m ， 2 0 06， 1 1 5： 3 7 9 3 8 3 7 ar o r a s ，gh o s h t，mu t h j di e l e c t r i c e l a s t o me r b a s e d p r o t o t y p e f i b e r a c t u a t o r s j s e n s ac t u a t o r s a p h y s ， 2 0 0 7 ， 1 3 6 ： 3 2 1 3 2 8 8 s h a h in p o o r me l e c t r i c a l l y c o n t r o l l a b l e mu l t i f i n g e r e d r e s i l i e n t h e a r t c o mp r e s s i o r d e v i c e s p us a： no 6 4 6 4 6 5 5 ， 2 0 0 2 1 0 - 1 5 9 mo t t a g h it a l a b v，x i b b， s p i n k s gm， e t a 1 p o l y a n i l i n e f i b r e s c o n t a i n i n g s i n g l e wa i l e d c a r b o n n a n o t u b e s ：en h a n c e d p e r f o r ma n c e a r t i f i c i a l mu s c l e s j s y n t h me t a l s ， 2 0 0 6 ， 1 5 6 ： 7 9 6 8 o 3 1 o e s c u d e r o az，al v a r e z j ，l e i j a i d e v e l o p me n t a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f e l e c t r o me c h a ni c a l mus c l e s f o r d r i v i n g t r a n s h u m e r a l my o e l e c r t r i c p r o t h e s e s j p r o s t h e t or t h o t l n t ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 2 6 2 3 4 1 1 毛立江 ， 朴东旭由离子化 水凝胶纤 维构筑 的人工肌 肉模 型 c 北京 ： 第一届北京国际康复医学论坛论 文集 ， 2 0 0 6 1 2 b r o c k s g兀 一 d i me r s o f o l i g 0 t h i 。 p h e n e c a t i o n s j j ch e m p h y s ， 2 0 0 0， 1 1 2 ( 1 l 2 )： 5 3 5 3 5 3 6 3 1 3 me i e r h，oe l s c h l a e g e r l nu me r i c a l t h e r mo me c h a n i c a l mo d e l l i n g o f s h a p e me mo r y a l l o y wi r e s j ma t e r s c i e n g a， 2 0 0 4 ， 3 7 8 ( 1 2 ) ： 4 8 4 4 8 9 r 1 4 ch o i s b，ha n ym ，ki m j h，e t a 1 fo r c e t r a c k i n g c o n t r ol o f a f l e x