人工肌肉是一种能够在外界激励条件下产生伸缩、弯曲、扭转及其组合等运动形式的柔性驱动器,其在微型机械、软体机器人等领域具有重要的应用前景。碳纳米管纤维拥有高导电、高导热、高拉伸强度以及良好的柔性等优异性能。利用加捻技术可将其制成螺旋卷绕型人工肌肉实现伸缩驱动。然而应变小、响应速度慢、循环稳定性差等仍是限制其广泛应用的主要瓶颈问题。本文针对以上瓶颈,提出了一种新颖的鞘-芯结构,并制备了具有大应变、高频响应特性的鞘-芯碳纳米管复合纤维人工肌肉。主要内容和结果如下:（1）研究制备工艺对碳纳米管纤维人工肌肉及肌肉纱线基本特性的影响:搭建了人工肌肉加捻装置,对人工肌肉纤维进行加捻实验研究,结果表明,人工肌肉纱线的加捻角随着加捻捻度的增加而增大。当捻角在43°时,纱线开始出现螺旋结构。纱线不同位置的捻角会随半径的减小而减小直至中心捻角为零。人工肌肉的弹簧指数随着加捻负载的增加而减小,结构上更为紧凑;通过加捻和滴加挥发性有机溶剂可以提高碳纳米管纱线的拉伸强度。当捻角为20°时,纱线拉伸强度达到最大值330 MPa,滴加乙醇可将拉伸强度提高到424 MPa。纱线的电导率随捻度的增加呈现为先增加后减小。复合有机硅橡胶对碳纳米管纱线的电导率基本无影响,纱线的电导率会随温度的升高而增加。（2）借助人工肌肉应变测试装置研究不同组装结构人工肌肉的大应变输出性能:鞘-芯碳纳米管复合纤维人工肌肉最大输出应变可达23.2%,是全浸润人工肌肉的1.2倍、纯碳纳米管纤维人工肌肉的23倍。肌肉收缩应变随着输入功率的增加而增加,且在相同输入功率下,鞘-芯人工肌肉应变大于其余两种人工肌肉。输出能量密度随着负载的增加而增大,在1 Hz的方波电压频率下,鞘-芯人工肌肉的能量密度最高为1.63k J/kg,远高于全浸润人工肌肉,约为哺乳动物骨骼肌的42倍。采用高强度的聚酰亚胺纤维作为内芯,极大地提高了肌肉的循环稳定性,在4.2 MPa的负载下,经历8500个1 Hz驱动循环后的肌肉应变保有率仍高达94.1%。（3）鞘-芯人工肌肉大应变输出性能优化研究:选取不同型号硅橡胶作为客体复合材料,结果表明硅橡胶的热膨胀系数越大,肌肉的收缩应变越大,硅胶的硬度越低,肌肉的负载能力也越低,其中PDMS作为复合材料时肌肉的综合性能较好。对比了不同内芯捻度人工肌肉的应变,发现内芯捻度越高,应变越大。调控鞘-芯人工肌肉的鞘-芯比,发现鞘-芯比为0.37左右的肌肉表现出较好的驱动性能,过薄的鞘层将无法提供足够的体积膨胀,过厚的鞘层则会增加肌肉的负担。（4）鞘-芯人工肌肉高频响应特性研究:独特的鞘-芯结构使人工肌肉表现出卓越的高频响应特性,在8 Hz时拥有高达57.6%/s的应变速率,并且肌肉温度可以在0.5 s内从150℃降到18.6℃。通过增加对肌肉的输入功率可以提升肌肉的收缩速率。对鞘-芯人工肌肉进行升降温模拟与实验研究,发现鞘层厚度越小即鞘-芯比越小,鞘层升降温的速率越快。最后,利用大应变高频响应的鞘-芯人工肌肉作为驱动源制作出软体爬行机器人,其可以在狭小空间执行特定任务,该机器人爬行速度可达26 mm/min。