近期，天津理工大学秦文静、王艳丽、南开大学刘遵峰、中国药科大学周湘合作团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为 “Spider-Inspired Helically Engineered Fiber-Based Artificial Muscle with Coupled Actuation and Self-Sensing Capabilities” 的研究成果。该工作开发了一种自感知碳纳米管/液晶弹性体（CNTs/LCE）螺旋纤维人工肌肉，将多孔裂纹传感单元与螺旋变形机制相结合，实现了大变形范围（拉伸达110%）、高响应线性（R2=0.99）与驱动-传感的高效结合，在仿生机器人、智能假肢、电路保护等领域展现出巨大应用潜力。

该研究以蜘蛛裂缝传感器为原型，设计了自感知CNTs/LCE 螺旋人工肌肉，通过螺旋结构、多孔结构与裂纹传感结构的协同设计，突破了传感与驱动性能的协同优化瓶颈。在自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉中，螺旋结构兼具人工肌肉驱动器与应变放大双重功能，“一石二鸟”的设计大幅提升了应变感知范围。引入的裂纹结构显著提高传感灵敏度，多孔结构则有效分散裂纹尖端应变、抑制裂纹扩展，螺旋几何可实现最高110%拉伸应变，且传感线性度R2=0.99，解决了传统裂纹传感器应变范围窄的问题（图1）。

图 1  自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉的结构表征

CNTs的引入实现了多重性能提升：其一，CNTs网络作为高效导热层，优化LCE纤维内部的温度分布均匀性，COMSOL模拟显示CNTs包覆后纤维内部温差仅0.4℃，远低于纯LCE纤维；其二，优异的光电热转换效率使人工肌肉的收缩行程提升19.2%，收缩时间缩短8秒；其三，CNTs网络构建了稳定的导电通路，可对拉伸、收缩、压缩等力学刺激实时精准感知（图2）。

图 2 自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉驱动性能表征

该螺旋人工肌肉展具有拉伸、收缩、压缩三种模式的高灵敏传感性能：拉伸传感的灵敏度（GF）为0.284，响应和恢复时间分别为140和70 ms（图3）；收缩传感GF=0.368，响应和恢复时间仅30 ms（图4）；压缩传感可检测低至5 Pa的压力，GF=0.566（图5）。同时器件循环稳定性优异，可完成1000次大应变循环（110%拉伸、70%收缩、15 Pa压缩），信号无明显漂移。

图3 自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉拉伸传感性能

图4 自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉收缩传感性能

图5 自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉压缩传感性能

基于该人工肌肉的驱动-传感一体化特性，研发了仿生机械臂，在施加2 V电压下可实现144°弯曲，并实时输出传感信号；仿毛虫爬行软机器人可通过周期性电刺激实现类毛毛虫的蠕动爬行，同时监测爬行过程中的信号；智能电路保护器可在正常工作时保持电路连通，电流过载时自动收缩断开，实现智能保护（图6）。

图6 自感知CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉的应用展示

该研究受蜘蛛裂缝感受器启发，通过螺旋、多孔、裂纹结构的协同设计，成功研发了驱动-传感一体化的CNTs/LCE螺旋纤维人工肌肉，实现91%高收缩率、110%的大拉伸应变、高线性响应（R2=0.99）与多感知传感，解决了传统人工肌肉传感与驱动性能难以兼顾、稳定性差的难题，为仿生智能人工肌肉的结构设计与性能优化提供了新思路，所制备的器件在仿生机器人、智能假肢、可穿戴设备、智能电路控制等领域具有广阔的应用前景。