天然肌肉，是人体运动系统组成部分，人体要想实现各种各样的运动都离不开肌肉收缩。那么天然肌肉是如何实现感知、驱动与控制的呢？如图1所示，梭外肌纤维接收来自大脑发出的电信号，通过α运动神经元传递至肌浆网控制钙离子进出细胞质膜，从而引起肌肉收缩。梭内肌纤维作为感觉肌肉的运动的本体感受器，即检测梭外肌纤维的长度变化，并通过γ运动神经元传递至中枢神经系统。而α-γ运动神经元的相互协调运作，对控制人体运动过程种起重要作用。模仿人类肌肉的驱动原理，可以为构建新型的神经、传感、驱动于一体的人工肌肉提供灵感。

图1 人工肌肉模仿天然骨骼肌和神经元系统示意图

近日，南开大学刘遵峰教授课题组使用天然橡胶纤维和碳纳米管，构建出集神经传导、驱动、感知一体的人工肌肉纤维。通过电加热碳纳米管层引起橡胶熵弹性变化，实现橡胶纤维收缩驱动。而收缩过程中，双鞘层碳纳米管褶皱接触面积增加引起电阻减小。因此，可以通过测量电阻的大小监测肌肉的长度变化。此外，还经过设计反馈回路，可通过设置电阻上限和下限来自动连接和断开肌肉，这模拟了人在提重物时，超过人的负荷，可自动松弛以避免肌肉拉伤。如图2所示。该研究设计的人工肌肉纤维为制备新型人工肌肉和软体机器人提供了新设计策略。

图2 自动控制人工肌肉及爬行机器人。

相关成果以“Tensile and Torsional Elastomer Fiber Artificial Muscle by Entropic Elasticity with Thermo-Piezoresistive Sensing of Strain and Rotation by Single Electric Signal”发表在Materials Horizons上。

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh01003k#!divAbstract

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