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天大封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì) Matter：人工智能神經(jīng)肌肉纖維束
2024-12-04  來(lái)源：高分子科技

  非條件反射是的指在出生后無(wú)需訓(xùn)練就具有的反射，由大腦皮層以下的神經(jīng)中樞（如腦干、脊髓）參與即可完成。通過(guò)反射弧實(shí)現(xiàn)反射動(dòng)作，對(duì)于人類和高等動(dòng)物在沒(méi)有大腦處理的情況下對(duì)環(huán)境刺激做出肌肉反應(yīng)，并在自然危險(xiǎn)中生存是非常重要的。仿生人類非條件反射的過(guò)程并實(shí)現(xiàn)的感覺(jué)、知覺(jué)、動(dòng)作等功能，開(kāi)發(fā)具有柔性結(jié)構(gòu)和卓越的變形能力人工肌肉已經(jīng)成為生物傳感智能機(jī)器人、交互式人機(jī)接口和高級(jí)假肢的一大挑戰(zhàn)。這類人工肌肉更適合在未知和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成操作，可以直接與人接觸、或與人進(jìn)行近距離協(xié)作，因此在智能操控和康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


  近日，天津大學(xué)封偉教授、王玲教授團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種具有感知-驅(qū)動(dòng)-自反饋一體化功能的人工神經(jīng)肌肉纖維束，并探索了其在觸覺(jué)感知和膝跳反射等領(lǐng)域的重要應(yīng)用。相關(guān)成果以題為“Biomimetic Artificial Neuromuscular Fiber Bundles with Built-in Adaptive Feedback”在國(guó)際權(quán)威期刊《Matter》上發(fā)表。天津大學(xué)材料學(xué)院博士生陳原浩為論文第一作者，天津大學(xué)王玲教授和封偉教授為論文通訊作者。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高端功能與智能材料”專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的重點(diǎn)資助。


圖1 人工肌肉的發(fā)展和神經(jīng)肌肉纖維束的設(shè)計(jì)思想


  作者提出利用自創(chuàng)地模具旋轉(zhuǎn)成型方法大批量制備了具有多層同軸結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬-液晶超細(xì)纖維，并實(shí)現(xiàn)了中空液晶纖維的壁厚（> 10 μm）與管徑（> 50 μm）的精準(zhǔn)調(diào)控。另外，作者發(fā)現(xiàn)隨著液晶纖維的壁厚增加，其驅(qū)動(dòng)輸出力則會(huì)增大（2.5 V的驅(qū)動(dòng)電壓），但是傳感靈敏度會(huì)降低（如圖2所示）。作者進(jìn)一步利用化學(xué)交聯(lián)的方法制備出具有響應(yīng)速度超快、形變率大、輸出力高以及性能穩(wěn)定的人工神經(jīng)肌肉纖維束。該纖維束中的每根纖維都可獨(dú)立控制，當(dāng)其中一根纖維施加電壓時(shí)，纖維會(huì)產(chǎn)生卷曲行為，該卷曲行為會(huì)導(dǎo)致纖維束的瞬間收縮率大大增加，例如在7.5 V的直流電源下，人工神經(jīng)肌肉纖維束在0.12 s的時(shí)間內(nèi)瞬間收縮率可達(dá)到98%（如圖3所示）。


圖2 具有多層核殼結(jié)構(gòu)的超細(xì)液晶納米復(fù)合材料的制備新方法與性能研究


圖3 人工神經(jīng)肌肉纖維束的制備策略與電熱驅(qū)動(dòng)性能


  人工神經(jīng)肌肉纖維束中每根纖維兼具傳感和驅(qū)動(dòng)功能，當(dāng)組裝到人工手臂上時(shí)，在4.5 V直流電壓的電熱驅(qū)動(dòng)下，神經(jīng)肌肉纖維束中的一根纖維可以快速收縮，并在6秒內(nèi)將前臂拉到62毫米的最大高度，該收縮變化可以傳遞給周圍傳感纖維，導(dǎo)致傳感纖維的電阻信號(hào)發(fā)生變化，因此可以產(chǎn)生本體感知（類似人體自身可以感知四肢運(yùn)動(dòng)，如圖4所示）；進(jìn)一步，當(dāng)被組裝到人工手指里時(shí)，纖維束不僅可以控制人工手指的彎曲，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指彎曲的過(guò)程。另外，人工手指指尖由一個(gè)帶有彈簧和探針的杠桿裝置組成，它可以有效地將外部接觸力傳遞給纖維束的感知纖維，因此可以賦予人工手指觸覺(jué)感知能力（如圖4所示）。進(jìn)一步，作者將纖維束中所有纖維的電路并聯(lián)在一起，構(gòu)筑人工肌肉內(nèi)部纖維的感知與驅(qū)動(dòng)互通信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，通入適量的恒定電流后，一旦感知到由外力引起的形狀變形，即可根據(jù)外力的大小或者施加壓力的時(shí)間產(chǎn)生自適應(yīng)的收縮，這是由于每個(gè)纖維分支中的恒電流重新分配造成的，導(dǎo)致了整體的電熱溫度升高，引起人工神經(jīng)肌肉纖維束的收縮，因此人工腿就能夠快速向前擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的人工非條件反射（如圖5所示）。需要說(shuō)明的是，整個(gè)過(guò)程不需要信號(hào)處理的外部控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)材料本身的感知-自診斷-驅(qū)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程。另外，當(dāng)人工腿彈起時(shí)沒(méi)有明顯的延遲，并且通過(guò)增加纖維束中的纖維數(shù)量可以增強(qiáng)人工腿能量輸出。這項(xiàng)研究有望為開(kāi)發(fā)具有內(nèi)置自適應(yīng)反饋的可植入式人工肌肉以及下一代能夠模仿生物生命系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人開(kāi)辟新的道路。



圖4 人工神經(jīng)肌肉纖維束應(yīng)用于本體感知以及觸覺(jué)感知


圖5 基于神經(jīng)肌肉纖維束的人工反射弧


通訊作者簡(jiǎn)介


王玲，天津大學(xué)講席教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，天津市杰出青年基金獲得者和國(guó)家海外高層次優(yōu)秀青年人才。主要致力于功能液晶智能材料的設(shè)計(jì)與制備及其在變色隱身、軟體機(jī)器人、高速通信、能源和安全等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。


封偉，天津大學(xué)講席教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家杰出青年基金獲得者，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC），日本學(xué)術(shù)振興委員會(huì)JSPS高訪學(xué)者，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家。主要研究方向?yàn)楣δ苡袡C(jī)碳復(fù)合材料在致密儲(chǔ)能和智能熱控等領(lǐng)域的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。


  文章信息：Yuanhao Chen, Cristian Valenzuela, Yuan Liu, Xiao Yang, Yanzhao Yang, Xuan Zhang, Shaoshuai Ma, Ran Bi, Ling Wang*,Wei Feng*. Biomimetic Artificial Neuromuscular Fiber Bundles with Built-In Adaptive Feedback. Matter, 2025, DOI: 10.1016/j.matt.2024.10.022

  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.022

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（責(zé)任編輯：xu）
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