在眾多人造肌肉技術(shù)中，介電彈性體致動(dòng)器（DEA）被認(rèn)為是最具前景的技術(shù)之一。

簡單來說，DEAs就像一塊“通電就會(huì)變形”的智能橡膠，其核心結(jié)構(gòu)由一層介電彈性體（DE）薄膜和兩側(cè)的柔性電極組成。當(dāng)施加電壓，正負(fù)電極相互吸引擠壓中間的薄膜，使其在厚度方向被壓扁、面積迅速擴(kuò)張，從而產(chǎn)生形變和動(dòng)力。這種機(jī)制賦予了DEA大應(yīng)變、高能量密度和毫秒級(jí)響應(yīng)的卓越天賦。

然而，這項(xiàng)技術(shù)一直有一個(gè)致命的缺陷：它需要千伏級(jí)別的超高電壓才能驅(qū)動(dòng)。高電壓不僅帶來安全隱患，還要求配備龐大笨重的電源模塊，使得DEAs長期被束縛在電線或復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上，難以真正“走出去”。

現(xiàn)在，這一困境迎來了重大突破。近期來自浙大團(tuán)隊(duì)發(fā)表于《Science Robotics》的一項(xiàng)研究，通過巧妙的材料設(shè)計(jì)與工藝創(chuàng)新，成功開發(fā)出低壓高輸出介電彈性體執(zhí)行器（LVHO-DEA），首次讓DEAs在200伏的超低電壓下，爆發(fā)出超越自然肌肉的驚人力量，并驅(qū)動(dòng)了一系列可以在桌面、手掌中自由活動(dòng)的無系繩軟體機(jī)器人。

01.

破解“高電壓”魔咒的四把鑰匙

為什么DEAs需要高壓？從核心公式看，其驅(qū)動(dòng)力與電壓的平方成正比，與薄膜厚度的平方成反比。這意味著，要想降低電壓而不犧牲動(dòng)力，研究者需要同時(shí)握緊四把鑰匙：

優(yōu)化介電彈性體應(yīng)力-應(yīng)變行為，降低材料的楊氏模量，讓它更容易被推動(dòng)。

提高材料的介電常數(shù)，使其在同樣電壓下能儲(chǔ)存更多電能，產(chǎn)生更強(qiáng)靜電力。

構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)致動(dòng)器：將單層厚膜換成幾十層超薄膜堆疊，既降低了每層所需的驅(qū)動(dòng)電壓，又通過疊加保證了總輸出力。

制備超薄DEA：薄膜越薄，所需電壓越低。

用于無系軟機(jī)的高性能DEA

以往的研究大多只走其中一條路，結(jié)果總是顧此失彼。要么電壓降了，輸出也降了；要么材料性能好了，卻無法加工成多層薄膜。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處，在于系統(tǒng)性地將四把鑰匙同時(shí)使用，解決了單一策略效果有限、多策略整合難度大的難點(diǎn)。

02.

調(diào)制出理想“肌肉”材料——HK-PHDE

研究者首先合成了一種全新的高介電常數(shù)可加工高性能介電彈性體材料，命名為HK-PHDE。

如何讓材料又軟、電容又高？傳統(tǒng)的做法是往里添加高介電常數(shù)的陶瓷粉末，但雖然電容率上去了，材料卻變硬變脆，甚至不透明。研究者另辟蹊徑，引入了一種特殊的有機(jī)鹽——雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）。

HK-PHDE在低驅(qū)動(dòng)電場下具有高執(zhí)行性能的合成

它可在彈性體網(wǎng)絡(luò)中解離并通過鋰鍵、氫鍵與高分子鏈結(jié)合，在大幅提高介電常數(shù)的同時(shí)，幾乎不改變材料力學(xué)性能，且分散均勻無相分離，保證了材料的光學(xué)透明性與拉伸性。最終得到的HK-PHDE，在保持極低楊氏模量（約0.56兆帕，比許多橡皮筋還軟）的同時(shí)，將介電常數(shù)提升到了13（1千赫茲下）。在35伏每微米的電場下，單層薄膜就能產(chǎn)生超過110% 的面積應(yīng)變，且無需任何機(jī)械預(yù)拉伸。

03.

HK-PHDE多層薄膜致動(dòng)器

僅僅有高性能的材料還不夠，要實(shí)現(xiàn)高機(jī)械輸出，還需要解決薄膜輸出力不足的問題。單一的HK-PHDE薄膜雖然性能優(yōu)異，但厚度僅數(shù)十微米，小面積薄膜的機(jī)械輸出難以驅(qū)動(dòng)需要高輸入力的設(shè)備?？蒲腥藛T采用了改良的干堆疊工藝，將多層HK-PHDE薄膜高效堆疊，制成多層介電彈性體執(zhí)行器（MDEA）。這種工藝能夠保證每層薄膜厚度均勻、層間結(jié)合緊密，使得多層堆疊后的執(zhí)行器依然保持與單層薄膜類似的應(yīng)力-應(yīng)變行為，同時(shí)在相同驅(qū)動(dòng)電場下，機(jī)械輸出得到顯著放大。

使用HK-PHDE薄膜構(gòu)建MDEAs

經(jīng)過優(yōu)化，10層HK-PHDE堆疊制成的MDEA表現(xiàn)出色的性能：在標(biāo)稱電場20V/μm（對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓僅200伏）時(shí)，能量密度達(dá)到38.4焦耳/千克，功率密度為452瓦/千克，遠(yuǎn)超自然肌肉的機(jī)械能力；在35V/μm電場下，能量密度更是達(dá)到76.7焦耳/千克，功率密度為1024瓦/千克。更重要的是，這種LVHO-DEA無需預(yù)拉伸、無需高頻共振，在低電壓下就能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高輸出，徹底解決了傳統(tǒng)DEAs的核心痛點(diǎn)。

04.

走出實(shí)驗(yàn)室：LVHO-DEAs驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人王國

將電壓降至200伏，是DEA從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步。因?yàn)?00伏不僅遠(yuǎn)低于千伏高壓，甚至低于一些國家的市電電壓，這讓使用小巧、輕便的電子模塊驅(qū)動(dòng)DEAs成為可能。

科研人員基于LVHO-DEAs，成功開發(fā)出多款無系繩軟設(shè)備和軟機(jī)器人，用實(shí)際效果證明了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用潛力。

其中，無系可穿戴流體電路尤為引人注目，它專為手部皮膚熱管理設(shè)計(jì)，由LVHO-DEA驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)泵、硅膠流道、鋰離子電池和定制柔性電子板組成。這款設(shè)備采用卷式LVHO-DEA作為驅(qū)動(dòng)核心，在200伏電壓、8赫茲頻率下，能夠以1.9毫升/分鐘的流量驅(qū)動(dòng)水流，完成一次手部熱管理循環(huán)僅需3分鐘，且可靈活貼合手腕，佩戴舒適，穩(wěn)定性極強(qiáng)，能夠連續(xù)工作超過10萬次循環(huán)。

一個(gè)由LVHO-DEA泵驅(qū)動(dòng)的無系穿戴流體電路，用于手部熱管理

在軟機(jī)器人領(lǐng)域，LVHO-DEAs更是展現(xiàn)出強(qiáng)大的適配性?？蒲腥藛T開發(fā)了兩種不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制的無系繩軟機(jī)器人魚：一種是受魔鬼魚啟發(fā)，由平面LVHO-DEA驅(qū)動(dòng)，在200伏電壓下，游動(dòng)速度達(dá)到0.2體長/秒，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)千伏級(jí)驅(qū)動(dòng)的同類機(jī)器人；另一種是翻車魚狀機(jī)器人，由兩臺(tái)卷式LVHO-DEA驅(qū)動(dòng)，不僅能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定游動(dòng)，還可通過獨(dú)立控制兩側(cè)執(zhí)行器，完成遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)向、直線前進(jìn)等復(fù)雜動(dòng)作，在300伏電壓下游動(dòng)速度可達(dá)0.3體長/秒。

軟機(jī)器人魚的LVHO-DEAs

更具突破性的是，科研人員還開發(fā)了一款可直接由家用220伏交流電驅(qū)動(dòng)的軟爬行機(jī)器人。這款機(jī)器人通過將平面LVHO-DEA與被動(dòng)PET薄膜干疊并彎曲成型，在整流后的220伏交流電壓驅(qū)動(dòng)下，能夠以0.62厘米/秒的速度爬行，攜帶負(fù)載時(shí)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。這一成果極大地降低了軟機(jī)器人的應(yīng)用門檻，為桌面級(jí)軟機(jī)器人的普及提供了可能。

LVHO-DEA驅(qū)動(dòng)的軟爬行機(jī)器人

這項(xiàng)研究的突破性在于，它通過系統(tǒng)性創(chuàng)新，將DEAs的驅(qū)動(dòng)電壓從“千伏時(shí)代”拉入了“百伏時(shí)代”。它證明了，人造肌肉完全可以像自然肌肉一樣，在低電壓下實(shí)現(xiàn)高輸出和靈活控制，為未來無系繩、可穿戴、高度集成的軟體機(jī)器人鋪平了道路。