超声波控制的人造肌肉

柔性、紧凑且适应性强的人造肌肉在多个领域具有变革潜力，包括软机器人、人机交互可穿戴设备、医疗健康（如假肢、矫形器）及精密制造等。然而，现有人造肌肉因依赖 tethering（有线连接）、操作机制复杂和输入需求大等问题，在无线控制、集成和小型化方面面临挑战。尽管化学、光、磁等外部刺激已用于无线驱动，但存在生物相容性、空间分辨率或动态可编程性等局限。相比之下，声学驱动具有生物相容性好、无线控制、响应快（毫秒级）、组织穿透深等优势，且与现有临床超声设备兼容，特别适用于生物医学应用。

本研究提出一种基于声学激活微气泡阵列的人造肌肉设计范式。该人造肌肉包含逾万颗微气泡，这些微气泡被设计成具有精确尺寸，对应不同的共振频率。当受到扫频超声波刺激时，人造肌肉中的微气泡阵列会发生选择性振荡并产生分布式点推力，从而实现可编程变形。其显著特性包括：高紧凑性（约3000微气泡/平方毫米）、低重量（0.047毫克/平方毫米）、较大的力强度（约7.6微牛/平方毫米）和快速响应（抓取时<100毫秒）。此外，它还具有良好的可扩展性（从微米到厘米级）、优异的柔顺性和多自由度。

研究团队通过理论模型支持该方法，并展示了多种应用：包括柔性生物操控（如抓取斑马鱼幼虫）、为静态物体增加 mobility 的适形机器人皮肤（可贴合离体猪器官），以及在离体生物环境中推进的仿生黄貂鱼机器人。这种可定制的人造肌肉在软机器人、可穿戴技术、触觉设备和生物医学仪器方面可能产生即时和长期影响。

在设计与制造方面，研究人员采用软光刻技术，通过硅晶圆上的微柱阵列制作微气泡腔的负模，制备出包含不同尺寸微气泡阵列的PDMS薄膜。不同尺寸的微气泡具有不同的固有频率，在扫频超声波激发下可实现多模态变形。例如，包含三种尺寸微气泡阵列的人造肌肉，在扫频超声波作用下能产生类似波浪的运动。

性能表征显示，微气泡的共振频率随直径增大而降低（如直径从40微米增至140微米时，共振频率从95.5 kHz降至8.9 kHz），且深度也会影响共振频率。通过选择性激发不同尺寸的微气泡阵列，可实现人造肌肉的局部变形和复杂运动。理论模型分析了单颗微气泡产生的声流推力及其导致的肌肉变形，计算表明，在60 Vpp电压下，一颗30微米半径的微气泡可产生约61纳牛的推力，而包含约18500颗微气泡的30毫米×5毫米人造肌肉总推力可达1.1毫牛。

应用方面，研究展示了：由均匀尺寸微气泡阵列人造肌肉构成的软抓手，可在毫秒内完成抓取；适形机器人皮肤能附着于杏仁、草叶等物体并使其运动，还能贴合离体猪心脏表面超过60分钟；封装在可生物降解胶囊中的人造肌肉，注入离体猪膀胱后可在超声波激活下附着于内壁；仿生黄貂鱼机器人通过两侧含不同尺寸微气泡阵列的“胸鳍”，在扫频超声波驱动下实现波动推进，初始速度约为0.8体长/秒。

讨论指出，该人造肌肉虽有前景，但存在微气泡长时间驱动后生长导致稳定性下降（约30分钟）等局限，未来可通过优化微腔几何形状、密度及采用聚焦超声等方式提升性能。这种人造肌肉为软机器人、生物医学等领域提供了新方案。