层次化扭绞卷绕聚合物人造肌肉的力学：解耦力与运动学限制
软凝聚态物质
2026-02-09 v1 材料科学
摘要
热力学驱动的扭绞卷绕聚合物(TCP)人造肌肉具有卓越的比功容量，但受限于承载能力与位程之间固有的竞争关系。为此，我们研究一种设计以解耦力生成与运动学限制的层次螺旋结构。我们提出了一种耦合热力学-力学模型，纳入了 filament 之间接触力学和几何非线性，以预测该组件的平衡响应。结果表明，这种层次化拓扑结构相较于单丝基准显著放大了等长作动应力，同时保持约22%的生物学样同心位程。我们识别了一个由协作负荷共享与几何约束平衡决定的关键拓扑阈值。超出最优捆绑复杂度后，几何卡死占主导地位，因为过量的丝间摩擦会阻碍作动。此外，我们阐明了单螺旋配置中存在的刚度-位程协同效应，其中较大的螺旋角可放大热失旋扭矩，以克服增大的结构刚度。关键的是，体积能量密度关于层次化半径呈尺度不变性，意味着可以通过几何放大线性放大绝对力量输出，而不牺牲效率。这些发现为结构编程提供了基于力学的依据，表明软致动器的性能极限由拓扑秩序而非固有材料属性决定。
引用
@article{arxiv.2602.06067,
title = {Mechanics of hierarchical twisted and coiled polymer artificial muscles: Decoupling force from kinematic limits},
author = {Ye Xiao and Zhao Luo and Falin Tian and Xinghao Hu and Dabiao Liu and Chun Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.06067},
year = {2026}
}