为什么人造肌肉不用到机器人身上？

　　

　　其实人造肌肉这个名字起得不是很好，更妥帖的名字应该叫电活性智能材料。因为我是做水下机器人方向的，所以接下来的举例我就以水下机器人为例了。在这之前，需要来说说相关概念。对于电力驱动的机器人的驱动机构（actuator）来说，大体可以分为两种：一种是纯机械驱动，一种是智能材料驱动。

　　其中，数字舵机和步进电机都是电机的一种，也俗称马达。它们的主要作用都是产生驱动转矩，作为电器或各种机械的动力源。数字舵机只需要发送一次 PWM信号就能保持在规定的某个位置，但是转动范围有限，多为180度或者360度；而步进电机则不能实现位置控制，但是却可以沿着一个方向一直转动。所以，将马达应用在机器人的关节等活动处，可以轻松实现机器人所需要的运动。

　　

　　而智能材料驱动就是依靠类似于SMA （shape memory alloy）、EMA （electromagnetic actuation）、IPMC （ionic polymer metal composite）这些智能材料通电或者温度变化产生的形变产生驱动力而进行运动。

　　SMA的中文名叫形状记忆合金，是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的形变，恢复其变形前原始形状的合金材料。它可以用于报警器的控制元件以及记录笔的驱动装置等。

　　EMA即电磁驱动，其原理也十分简单，导体相对于磁场运动，在导体中会产生感应电流，感应电流与原磁场相互作用使导体运动起来，这就是电磁驱动。由于电磁产生的力相对较小，所以EMA多应用于并不需要太大力即可驱动的情况。IPMC的中文名叫离子聚合物金属复合材料，由于其较低的驱动电压即能产生较大的位移变形，所以在机器人领域使用得较多一些，接下来我也会通过实例对这种材料进行说明。

　　虽然表面上，智能材料驱动是机器人驱动领域的一块新大陆，似乎可以通过对其深入挖掘和大规模的使用而大大减小机器人体积，改造其冰冷的机器外形。然而，智能材料的形变量相对于机械驱动来讲却十分有限，精度也不够，所以很遗憾地告诉你，所谓的“人造肌肉”在机器人领域的适用范围真的很小。

　　下面我就以IPMC （ionic polymer metal composite）为例，稍微说明一下。

　　一般是对IPMC厚度方向施加电压时，IPMC会向阳极弯曲，原理见下图。那人们自然可以利用这个特点：通电——形变——驱动，把他用在机器人身上，让它产生相应的运动。而且这种材料体积小，质量轻，能够产生大运动，并且不需要轴承和滑动部件，驱动电压低。这些特点看起来，当然要好过电机那个大个头，可以减少占地空间。

　　

　　一个数字舵机只要给一个占空比，就能让它转到我们需要的位置。但是IPMC的形变却是一个非线性过程，需要我一点点地标定才能最后投入使用。而且他的形变量也十分有限，最大的也只能从直的状态弯成九十度，还有一个弧度，不甚理想。

　　所以，这样的智能材料可以用在控制精度不太高的地方。

　　例如我想控制一个机器人，让它模仿水母的喷射式推进模式一张一缩的，也不需要非得控制到张开多少，收缩多少，只要能张缩，让机器人游起来就行，这样的领域智能材料倒是可以占据一席地位。2012年美国Virginia Tech智能材料系统与结构中心的Joseph Najem等人就利用IPMC作为驱动器，以维多利亚多管发光水母为原型，设计制作了仿生机器水母，物理样机见下图。

　　

　　（a） 机器水母物理样机（b）实验装置

　　机器水母有一个可热缩的高分子膜构成的柔韧的腔体，一个中心柱，一个用于接线和支撑驱动器的平台，8个用于保持上部稳定的桅杆和呈放射状的IPMC 驱动器。该机器水母重20g、直径15 cm、高5.8 cm。由于IPMC材料在电场作用下会产生弯曲变形，可以构建这种驱动器来模拟水母腔体的收缩和扩张过程，但是遗憾的是这只机器水母的速度只有 0.77mm/s，速度之小令人很是失望。

　　总而言之，大多数的机器人控制中，控制精度是一个重要指标，而且鉴于运动范围比较小，所以所谓的人工肌肉并不能得到大面积的使用。