Fast, variable stiffness-induced braided coiled artificial muscles

材料科学 刚度 肌肉僵硬 人工肌肉 工作(物理) 生物医学工程 计算机科学 复合材料 人工智能 工程类 机械工程 执行机构
作者
Xinghao Hu,Xiangyu Wang,Jian Wang,Guorong Zhang,Shaoli Fang,Fengrui Zhang,Ye Xiao,Guanggui Cheng,Ray H. Baughman,Jianning Ding
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (41)
标识
DOI:10.1073/pnas.2412288121
摘要

Biomimetic actuation technologies with high muscle strokes, cycle rates, and work capacities are necessary for robotic systems. We present a muscle type that operates based on changes in muscle stiffness caused by volume expansion. This muscle is created by coiling a mechanically strong braid, in which an elastomer hollow tube is adhesively attached inside. We show that the muscle reversibly contracts by 47.3% when driven by an oscillating input air pressure of 120 kilopascals at 10 Hz. It generates a maximum power density of 3.0 W/g and demonstrates a mechanical contractile efficiency of 74%. The muscle’s low-pressure operation allowed for portable, thermal pneumatical actuation. Moreover, the muscle demonstrated bipolar actuation, wherein internal pressure leads to muscle length expansion if the initial muscle length is compressed and contraction if the muscle is not compressed. Modeling indicates that muscle expansion significantly alters its stiffness, which causes muscle actuation. We demonstrate the utility of BCMs for fast running and climbing robots.
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