吉林大学刘春宝、王影杰、任雷等 受骨骼肌高度有序结构启发的仿生柔性驱动器_华体会体育ios_app最新下载_hth官网登录

吉林大学刘春宝、王影杰、任雷等 受骨骼肌高度有序结构启发的仿生柔性驱动器

  本研究论文聚焦仿生柔性驱动器的研究。人类等哺乳动物的骨骼肌由肌纤维和结缔组织构成,这种骨骼肌具有力学特性使它们在激活时能够产生力量输出和三维运动。迄今为止,人工肌肉类驱动器的开发,如McKibben气动人工肌肉,往往专注于单一的收缩元件,而忽略柔性结缔组织,而后者是生物肌肉结构和形态的重要组成部分。因此,受超声测量的骨骼肌结构启发,本文提出一种高度仿骨骼肌(HimiSK)驱动器。该驱动器由平行排列的收缩单元和柔性基质组成,收缩单元作为肌纤维产生主动收缩力,柔性基质作为结缔组织产生被动变形,当收缩单元受到正压力时产生线性收缩和输出力。在该驱动器中,分配收缩单元和柔性基质不同的柔性材料,形成五种柔性驱动器。这些驱动器在激活时均具有三维运动特征,并呈现出与生物肌肉相似的力-速度和力-长度特性。较硬的收缩单元能够产生较高的输出力和强直力,最大输出力提高约41.3%,强直力提高约168%。较软的柔性基体可产生较大的位移和速度,最大位移提高约33.3%,速度提高约73%。结果表明:收缩单元对力的产生起着至关重要的作用,而柔性基质对力的传递和变形有显著的影响,最终的力、速度、位移和三维运动是收缩单元、流体和柔性基质相互作用的结果。我们所提出的HimiSK驱动器模型更好地理解了柔性驱动器的力学行为、力的产生和传递,并强调了使用柔性结缔组织形成与骨骼肌相似的结构和构型的重要性,在设计高效的人工肌肉方面具有潜在的用途。

  图1 HimiSK驱动器设计原则:(a)腓肠肌、股直肌和半膜肌的超声测量;(b)人体半膜肌矢状面的超声图像;(c)羽状肌的简化模型,阐释肌肉放松和收缩时的纤维方向和作用机理;(d)柔性驱动器的结构和运动原理;(e)柔性驱动器线性收缩和机械输出;(f)驱动器的力学特性

  图2 驱动器的制造和运动:(a)腓肠肌、股直肌和半膜肌驱动器;(b)半膜肌驱动器制造;(c)股直肌提升重物图;(d)半膜肌驱动器作用于人体模型弯曲膝关节,ΔL代表应变

  图3 (a)0.28 MPa下D型驱动器随时间的三维运动;(b)与人类骨骼肌相比,驱动器的力-速度无量纲关系;(c)与人类骨骼肌相比,驱动器的力-长度无量纲关系

  图4 五种驱动器的力和速度关系:(a-e)不同驱动压力下E, D, S, E-D和D-S型驱动器的力-速度特性;(f)D型收缩单元驱动器与S型收缩单元驱动器的速度对比

  图5 五种驱动器的力和长度关系:(a-e)不同驱动压力下E, D, S, E-D和D-S型驱动器的力-长度特性;(f)E型柔性基质驱动器与D型柔性基质驱动器的强直力对比

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