人工肌肉指的是用于模仿天然肌肉的新材料、致动器或驱动装置,可感受外部刺激并在一个部件内收缩、膨胀或旋转,从而衍生出其它复杂类型的运动。与传统的刚性驱动器相比,螺旋卷绕型纤维基人工肌肉具有较高的柔韧性、通用性和功率密度,能够更好地模仿人类肌肉的运动方式,并逐渐成为科学家研究的热点。本文主要围绕螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的制备、致动特性、理论模型三部分展开,主要成果如下:1、在Semochkin设计的人工肌肉捻线器的基础上,研制了新一代人工肌肉捻线器。该捻线器结构稳定性好,显著提高了制备人工肌肉的成功率,而且制作出的人工肌肉规格一致,具有更好的致动特性。采用该装置,以尼龙6纤维为原材料,制备了一系列螺旋卷绕型纤维基人工肌肉。2、利用热像仪和位移传感器等仪器,搭建了表征人工肌肉致动特性的实验平台。利用该平台研究了尼龙6纤维人工肌肉的致动特性,结果表明,随着输入功率的增大,致动效率增大;当输入功率相同时,人工肌肉的截面积越大,致动效率越低;载荷重量越大,致动效率越高。通过拉伸、扭转和纳米压痕实验,测量了尼龙6纤维的弹性模量和剪切模量,为分析人工肌肉的致动特性奠定了基础。3、基于多级结构分析的方法,提出了一种解释螺旋卷绕型纤维基人工肌肉致动特性的连续介质力学模型。利用该模型分析了纤维偏转角、螺旋直径等结构参数对人工肌肉致动性能的影响,预测了致动应变随温度的变化关系,与实验结果吻合。分析表明,在同手性结构中,随着纤维偏转角的增大,人工肌肉的收缩率先增大后减小,而异手性结构的结果相反;随着螺旋直径的增大,人工肌肉的致动效果随之增强,承载能力随之减弱。