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为了有效地复制人类和动物的运动，机器人应该整合类似肌肉的结构。这些人工肌肉应该在所有相关的驱动参数（包括能量密度、应变、应力和机械强度）上达到最佳性能。
韩国KAIST和釜山国立大学的研究人员最近开发了一种用于机器人应用的致动器，其灵感来自哺乳动物的骨骼和肌肉结构。在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表的一篇论文中介绍了这种致动器，它基于具有强收缩驱动特性的软纤维。
“我是在与论文共同作者之一Suk Kyun Ahn教授的学术会议上了解液晶弹性体（LCE）致动器的，”进行该研究的研究人员之一Sang Ouk Kim说道，LCE是一种很有前途的软致动器材料，在致动时具有异常大的可逆尺寸变化（收缩/松弛），这在其他类型的致动器材料中很少观察到，但对于理想地模拟自然骨骼肌行为非常重要
过去开发的许多致动器都是基于LCE材料，这是一类聚合物，可以根据环境刺激快速改变形状。尽管LCE聚合物具有形状变形的优点，但已知其机械性能相对较差，致动性能较弱。
为了克服这一限制，Kim和Ahn教授决定在LCE致动器中加入超强石墨烯填料。除了增强其机械性能外，该团队还期望石墨烯填料能够实现光驱动、快速和远程控制的驱动，这是由于石墨烯的光热转换能力。
Kim解释道：“纯LCE致动器通常需要温度升高，这通常是一个耗时的过程，没有特定的空间可控性，以触发由液晶排列状态驱动的LCE分子的各向同性随机盘绕状态。”。
研究人员开发的致动器基于软纤维，包括石墨烯填料，这些填料被精细地剥离到LCE材料的基质中。当激光照射到光纤上时，与石墨烯填料相关的光热转换效应会立即提高其周围LCE基质的温度。这导致LCE分子从液晶排列状态转变为所谓的各向同性随机卷曲状态，最终导致纤维在宏观尺度上长度收缩。
“一旦激光照射被移除，光纤将恢复原来的长度，而LCE矩阵将立即冷却，”Kim说。“少量（约0.3wt%）强石墨烯填料的协同掺入增强了致动器材料本身及其驱动性能。石墨烯填料实现的快速光热转换也实现了可逆、快速的高功率驱动，可通过外部光操纵轻松远程控制。”
Kim和他的同事创造的致动器最有价值的特征之一是其内部石墨烯填料网络的可逆渗透。该过程允许纤维可逆地收缩并松弛回到其原始尺寸，同时确保在整个致动周期内的高机械强度。
“纵向纤维驱动的大可逆收缩/松弛导致复合致动器体积内石墨烯填料网络的可逆组装和拆卸，”Kim说。
“这种前所未有的行为极大地加强了致动器，尤其是在收缩致动状态下，并根据致动状态对电导率进行了有趣的调节，这与自然肌肉的EMG信号生成类似。值得注意的是，LCE致动器的固有机械弱点，特别是在致动收缩状态下这对LCE致动器的实际应用是一个关键挑战。”
研究人员在一系列测试中评估了他们的致动器，发现他们取得了非常有希望的结果。事实上，它们展示了基于LCE材料的致动器的有利形状变形特性，同时也实现了鲁棒和可逆的致动应变。
“我们的促动器最终实现了实际意义上的促动性能，在许多方面超过了天然动物肌肉，包括促动应变、压力、能量密度和功率，”Kim说。“以前的作品中展示的人造肌肉有时在其中一个或几个特征上获得了优异的表现，但目前还没有报告显示这种与天然肌肉相比的全面优异表现。”
Kim和他的同事们通过在软机器人上实施致动器并评估其在一系列任务中的性能，最终展示了致动器的潜力。他们发现，这些机器人能够模仿人类和动物的不同动作，例如举起一个1公斤重的哑铃，在人造手上弯曲各个手指，以及复制尺蠖的动作。
有趣的是，该团队通过让机器人尺蠖与活体尺蠖“赛跑”，测试了基于其致动器的机器人尺蠖。他们的系统赢得了比赛，进一步凸显了他们的单纤维致动器在制造超强高性能机器人、仿生假肢工具甚至可重构智能服装方面的潜力。
“下一个重大挑战将是将我们的人工肌肉与神经活动相结合，”Kim补充道。“如果单独的致动器纤维是专门可控的，模仿中性控制，那么在与人脑或人工智能接口时，自然动物般的复杂运动和移动应该是可能的。目前，大多数致动器都依赖于硬机械系统。我们的复合软致动器将是解决传统机械致动器固有局限性的一个有前途的候选者该系统的重量和机械刚性，并实现真正的自然动物般的软机器人。”
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