人造肌肉（Artificial muscle）是一种通用术语，用于模仿天然肌肉的致动器，材料或装置，并且可以由于外部刺激（例如电压，电流，压力或温度）而在一个部件内可逆地收缩，膨胀或旋转。 三个基本的致动响应 – 收缩，膨胀和旋转 – 可以在单个部件内组合在一起以产生其他类型的运动（例如，弯曲，通过收缩材料的一侧而扩展另一侧）。 传统的马达和气动线性或旋转致动器不具有人造肌肉的资格，因为致动中涉及多于一个的部件。
与传统的刚性致动器相比，由于其高灵活性，多功能性和功率重量比，人造肌肉有可能成为一种高度破坏性的新兴技术。 虽然目前在有限的使用中，该技术可能在工业，医学，机器人和许多其他领域中具有广泛的未来应用。
概观
人造肌肉不仅包括通过生物技术模仿实际动物肌肉结构的，还包括通过消耗电，磁或化学能来改变状态来产生动力的致动器。
存在各种类型的人造肌肉，例如压电型，形状记忆合金，静电型，气动型等，但是近来，使用诸如合成树脂的聚合物的那些受到关注。 据说它是柔软的致动器，因为使用的材料柔软，运动灵活，并且还支持外力。
在机械装置中，存在相对于输入能量输出预定动量的趋势，但是如果物理上存在某些限制，则屏障或机械装置本身将被损坏。 在人造肌肉中，尽管相对于输入能量以一定的宽度进行锻炼，但是当从外部输入力或者不能表现出预定的动量时，该动力单元本身产生过大的动量。变形的形式被认为具有防止吸收，破坏设备和损坏物体的功能。
这些“软”电源可以暂时放置机械扭矩由于机械内外摩擦而过度消耗的能量，以弹性的形式，因此我们开发了一种更有效的装置除了机器元件和结构不发电，但材料本身是一个电源，可以说它对设备的小型化很有用。
然而，截至2010年，对于用作人造肌肉的材料，许多压电和聚合材料正处于开发和研究阶段，许多不能以低成本大规模生产•不可能将输入能量转换为动量应用到作为通常可用的产品销售的产品是有限的，由于转换效率低和耐压/耐久性的问题，似乎需要时间来传播。 作为致动器的功能可以通过应用市售的紧凑型电动机，线性电动机（包括音圈电动机）等原理来实现，这可以用作作为模块可用的廉价现有产品。因为它们可以使用这些产品是主流的产品。
与天然肌肉比较
虽然没有允许比较致动器的一般理论，但是人造肌肉技术存在“功率标准”，其允许与天然肌肉特性相比规定新的致动器技术。 总之，标准包括应力，应变，应变速率，循环寿命和弹性模量。 一些作者已经考虑了其他标准（Huber等，1997），例如致动器密度和应变分辨率。 截至2014年，存在的最强大的人造肌纤维可以比相同长度的天然肌纤维提供100倍的功率增加。
研究人员测量人造肌肉的速度，能量密度，功率和效率; 没有一种人造肌肉在所有领域都是最好的。
类型
人造肌肉可根据其驱动机制分为三大类。
电场驱动
电活性聚合物（EAP）是可以通过施加电场来致动的聚合物。 目前，最突出的EAP包括压电聚合物，介电致动器（DEA），电致伸缩接枝弹性体，液晶弹性体（LCE）和铁电聚合物。 虽然这些EAP可以弯曲，但它们的扭矩运动能力低，目前限制了它们作为人造肌肉的用途。 此外，如果没有用于创建EAP设备的公认标准材料，商业化仍然是不切实际的。 然而，自20世纪90年代以来，EAP技术取得了重大进展。
基于离子的驱动
离子EAP是可以通过电解质溶液中的离子扩散来驱动的聚合物（除了施加电场之外）。 离子电活性聚合物的当前实例包括聚电极凝胶，离聚物聚合物金属复合物（IPMC），导电聚合物和电流变液（ERF）。 在2011年，证明了扭曲的碳纳米管也可以通过施加电场来致动。
电力驱动
扭曲和卷曲的聚合物（TCP）肌肉（也称为超螺旋聚合物（SCP））是卷绕的聚合物，其可以通过电力驱动。 TCP肌肉看起来像螺旋弹簧。 TCP肌肉通常由镀银尼龙制成。 TCP肌肉也可以由其他电导涂层如金制成。 TCP肌肉应该在负荷下以保持肌肉伸展。 电能由于电阻而转换成热能，电阻也称为焦耳加热，欧姆加热和电阻加热。 随着焦耳加热使TCP肌肉的温度升高，聚合物收缩并导致肌肉收缩。
气动驱动
气动人工肌肉（PAM）通过用加压空气填充气囊而起作用。 在向气囊施加气体压力时，发生各向同性的体积膨胀，但是由围绕气囊的编织线限制，将体积膨胀转换成沿致动器的轴线的线性收缩。 PAM可以按其操作和设计进行分类; 即，PAM具有气动或液压操作，超压或欠压操作，编织/网状或嵌入式膜和拉伸膜或重排膜。 今天最常用的PAM是一种称为McKibben Muscle的圆柱形编织肌肉，它是由JL McKibben在20世纪50年代首次开发的。
热启动
钓鱼线
由普通钓鱼线和缝纫线构成的人造肌肉可以比相同长度和重量的人体肌肉提升100倍的重量并产生100倍的力量。
基于钓线的人造肌肉已经比形状记忆合金或碳纳米管纱线低几个数量级（每磅）; 但目前效率相对较差。
各种大分子与市售聚合物纤维中的纤维对齐。 研究人员通过将它们卷成线圈，使人体肌肉以与人体肌肉类似的速度收缩。
与大多数材料不同，（无捻）聚合物纤维，例如聚乙烯钓鱼线或尼龙缝纫线，当加热至约4％时，温度升高250K时会缩短。 通过扭曲光纤并将扭曲的光纤缠绕成线圈，加热使线圈收紧并缩短高达49％。 研究人员发现另一种缠绕线圈的方法，即加热会使线圈延长69％。
热激活人工肌肉的一个应用是自动打开和关闭窗户，在不使用任何动力的情况下响应温度。
由填充有石蜡的扭曲碳纳米管组成的微小人造肌肉比人体肌肉强200倍。
形状记忆合金
形状记忆合金（SMA），液晶弹性体和金属合金可以变形，然后在受热时恢复其原始形状，可以起到人造肌肉的作用。 基于热致动器的人造肌肉提供耐热性，抗冲击性，低密度，高疲劳强度，以及在形状变化期间产生大的力。 2012年，基于肌肉导电扭曲结构内的二次材料的热膨胀，展示了一类新的电场激活，无电解质的人造肌肉，称为“捻纱致动器”。 还已经证明，卷绕的二氧化钒带可以在200,000rpm的峰值扭转速度下扭曲和解开。
人造肌肉使用聚合物
电响应聚合物（英文版）（电活性聚合物：EAP）
离子导电聚合物薄膜（ICPF：离子导电聚合物薄膜）
1991年，它由大口圭佑（大阪工业技术研究所，国家先进工业科学技术研究所，前AIST）和其他人发明。
贵金属（金，铂）在全氟磺酸（PFS）薄膜的两面进行化学镀，并在向两侧电极施加电压时高速弯曲。
人工肌肉使用气动压力
气动人工肌肉（PAMs）
McKibben型（人造肌肉）
1961年，它由Joseph McKibben开发。
它的形状像橡胶管，上面覆盖着尼龙纤维，并通过在内部施加压缩空气而收缩。
折纸机器人 – 由麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）开发。 人造肌肉结合折纸结构和真空包装。 通过抽出真空包装内的空气，内部折叠纸也会变形互锁并成为骨架。
使用电和磁的人造肌肉
使用电流变液
使用磁性粘性流体（磁流变液）
使用静电吸引力
利用静电力的致动器，例如由东京大学的Higuchi•Yamamoto实验室研究和开发的“高功率静电马达”，也可以用作人造肌肉。 电活性聚合物的应用视频
CNT肌纤维
在德克萨斯大学达拉斯分校的纳米技术研究所开发了一种人造肌肉，其通过向处理过的碳纳米管添加约5kV的电压而收缩。 人造肌肉的密度仅略高于空气，具有快速的收缩速度，每个区域的功率是生物肌肉的30倍。 （注意，与身体肌肉的三十倍的其他人造肌肉相比，它并不是特别强壮。
控制系统
三种类型的人造肌肉具有不同的约束，这些约束影响它们用于致动的控制系统的类型。 然而，重要的是要注意，控制系统通常被设计成满足给定实验的规格，一些实验要求组合使用各种不同的致动器或混合控制方案。 因此，以下实施例不应被视为可用于致动给定人造肌肉的各种控制系统的详尽列表。
电压控制
当输入为电压时，扭曲和盘绕的聚合物（TCP）肌肉可以通过一阶线性时不变状态空间建模，精度超过85％。 因此，可以通过数字PID控制器容易地控制TCP肌肉。 模糊控制器可用于加速PID控制器。
EAP控制
与传统致动器相比，EAP具有重量更轻，响应更快，功率密度更高，操作更安静的特点。 电动和离子EAP主要使用反馈控制回路来驱动，更好地称为闭环控制系统。
气动控制
目前有两种类型的气动人工肌肉（PAM）。 第一种类型具有由编织套管包围的单个囊，第二种类型具有双囊。
单个气囊被编织套管包围
气动人造肌肉虽然重量轻且便宜，但是它们具有特别困难的控制问题，因为它们都是高度非线性的并且具有随时间显着波动的特性，例如温度。 PAM通常由橡胶和塑料组分组成。 当这些部件在致动期间彼此接触时，PAM的温度升高，最终导致人造肌肉结构随时间的永久变化。 这个问题导致了各种各样的实验方法。 总之（由Ahn等人提供），可行的实验控制系统包括PID控制，自适应控制（Lilly，2003），非线性最优预测控制（Reynolds等，2003），变结构控制（Repperger等，1998）。 ; Medrano-Cerda等，1995），获得调度（Repperger等，1999），以及各种软计算方法，包括神经网络Kohonen训练算法控制（Hesselroth等，1994），神经网络/非线性PID控制（ Ahn和Thanh，2005），以及神经模糊/遗传控制（Chan et al。，2003; Lilly et al。，2003）。
关于高度非线性系统的控制问题通常通过试错法解决，通过该方法可以梳理出系统行为能力的“模糊模型”（Chan et al。，2003）（来自特定系统的实验结果）由知识渊博的人类专家测试。 然而，一些研究采用“实际数据”（Nelles O.，2000）来训练给定模糊模型的准确性，同时避免先前模型的数学复杂性。 Ahn等人的实验只是近期实验的一个例子，该实验使用改进的遗传算法（MGAs）来训练模糊模型，使用来自PAM机器人手臂的实验输入输出数据。
双构膜
该致动器由外部膜构成，该膜具有内部柔性膜，将肌肉内部分成两部分。 肌腱固定在膜上，并通过套管离开肌肉，使肌腱收缩进入肌肉。 管子允许空气进入内部气囊，然后内部气囊滚入外部气囊。 这种类型的气动肌肉的一个关键优点是气囊没有可能的摩擦运动抵靠外套管。
热控制
SMA人造肌肉虽然重量轻，适用于需要大量力量和位移的应用，但也存在特定的控制挑战; 即，SMA人造肌肉受其滞后输入 – 输出关系和带宽限制的限制。 正如温等人。 在讨论中，SMA相变现象是“滞后的”，因为得到的输出SMA链依赖于其热输入的历史。 至于带宽限制，由于热量传递到SMA人造肌肉所需的时间量，在滞后相变期间SMA致动器的动态响应非常慢。 由于将SMA应用视为静态设备的假设，很少有关于SMA控制的研究; 尽管如此，已经测试了各种控制方法来解决滞后非线性的控制问题。
通常，这个问题需要应用开环补偿或闭环反馈控制。 关于开环控制，Preisach模型经常被用于其简单的结构和易于模拟和控制的能力（Hughes和Wen，1995）。 至于闭环控制，已经使用了一种基于无源性的方法来分析SMA闭环稳定性（Madill和Wen，1994）。 Wen等人的研究提供了闭环反馈控制的另一个例子，通过在由SMA制成的柔性铝梁上应用力反馈控制和位置控制的组合，展示了SMA应用中闭环控制的稳定性。镍钛诺。
应用
人造肌肉技术在仿生机器中具有广泛的潜在应用，包括机器人，工业致动器和动力外骨骼。 基于EAP的人造肌肉结合了轻量化，低功率要求，弹性和灵活性，可用于运动和操作。 未来的EAP设备将应用于航空航天，汽车工业，医学，机器人，清晰度机制，娱乐，动画，玩具，服装，触觉和触觉界面，噪声控制，传感器，发电机和智能结构。
与传统气动缸相比，气动人造肌肉还具有更大的灵活性，可控性和轻便性。 大多数PAM应用涉及使用类似McKibben的肌肉。 诸如SMA的热致动器具有各种军事，医疗，安全和机器人应用，并且还可以用于通过机械形状变化产生能量。