浙大團隊頂刊！200V低壓DEAs人造肌肉問世，解介電彈性體高壓難題

在眾多人造肌肉技術中，介電彈性體致動器（DEA）被認為是最具前景的技術之一。

簡單來說，DEAs就像一塊“通電就會變形”的智能橡膠，其核心結構由一層介電彈性體（DE）薄膜和兩側的柔性電極組成。當施加電壓，正負電極相互吸引擠壓中間的薄膜，使其在厚度方向被壓扁、面積迅速擴張，從而產生形變和動力。這種機制賦予了DEA大應變、高能量密度和毫秒級響應的卓越天賦。

然而，這項技術一直有一個致命的缺陷：它需要千伏級別的超高電壓才能驅動。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雜的實驗室設備上，難以真正“走出去”。

現在，這一困境迎來了重大突破。近期來自浙大團隊發表于《Science Robotics》的一項研究，通過巧妙的材料設計與工藝創新，成功開發出低壓高輸出介電彈性體執行器（LVHO-DEA），首次讓DEAs在200伏的超低電壓下，爆發出超越自然肌肉的驚人力量，并驅動了一系列可以在桌面、手掌中自由活動的無系繩軟體機器人。

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，其驅動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力，研究者需要同時握緊四把鑰匙：

優化介電彈性體應力-應變行為，降低材料的楊氏模量，讓它更容易被推動。

提高材料的介電常數，使其在同樣電壓下能儲存更多電能，產生更強靜電力。

構建多層結構致動器：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動電壓，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。

用于無系軟機的高性能DEA

以往的研究大多只走其中一條路，結果總是顧此失彼。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。

這項研究的創新之處，在于系統性地將四把鑰匙同時使用，解決了單一策略效果有限、多策略整合難度大的難點。

02.

調制出理想“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？傳統的做法是往里添加高介電常數的陶瓷粉末，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鹽——雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）。

HK-PHDE在低驅動電場下具有高執行性能的合成

它可在彈性體網絡中解離并通過鋰鍵、氫鍵與高分子鏈結合，在大幅提高介電常數的同時，幾乎不改變材料力學性能，且分散均勻無相分離，保證了材料的光學透明性與拉伸性。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，將介電常數提升到了13（1千赫茲下）。在35伏每微米的電場下，單層薄膜就能產生超過110% 的面積應變，且無需任何機械預拉伸。

03.

HK-PHDE多層薄膜致動器

僅僅有高性能的材料還不夠，要實現高機械輸出，還需要解決薄膜輸出力不足的問題。單一的HK-PHDE薄膜雖然性能優異，但厚度僅數十微米，小面積薄膜的機械輸出難以驅動需要高輸入力的設備。科研人員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行器（MDEA）。這種工藝能夠保證每層薄膜厚度均勻、層間結合緊密，使得多層堆疊后的執行器依然保持與單層薄膜類似的應力-應變行為，同時在相同驅動電場下，機械輸出得到顯著放大。

使用HK-PHDE薄膜構建MDEAs

經過優化，10層HK-PHDE堆疊制成的MDEA表現出色的性能：在標稱電場20V/μm（對應驅動電壓僅200伏）時，能量密度達到38.4焦耳/千克，功率密度為452瓦/千克，遠超自然肌肉的機械能力；在35V/μm電場下，能量密度更是達到76.7焦耳/千克，功率密度為1024瓦/千克。更重要的是，這種LVHO-DEA無需預拉伸、無需高頻共振，在低電壓下就能實現穩定的高輸出，徹底解決了傳統DEAs的核心痛點。

04.

走出實驗室：LVHO-DEAs驅動的機器人王國

將電壓降至200伏，是DEA從實驗室走向應用的關鍵一步。因為200伏不僅遠低于千伏高壓，甚至低于一些國家的市電電壓，這讓使用小巧、輕便的電子模塊驅動DEAs成為可能。

科研人員基于LVHO-DEAs，成功開發出多款無系繩軟設備和軟機器人，用實際效果證明了這項技術的應用潛力。

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計，由LVHO-DEA驅動的蠕動泵、硅膠流道、鋰離子電池和定制柔性電子板組成。這款設備采用卷式LVHO-DEA作為驅動核心，在200伏電壓、8赫茲頻率下，能夠以1.9毫升/分鐘的流量驅動水流，完成一次手部熱管理循環僅需3分鐘，且可靈活貼合手腕，佩戴舒適，穩定性極強，能夠連續工作超過10萬次循環。

一個由LVHO-DEA泵驅動的無系穿戴流體電路，用于手部熱管理

在軟機器人領域，LVHO-DEAs更是展現出強大的適配性。科研人員開發了兩種不同驅動機制的無系繩軟機器人魚：一種是受魔鬼魚啟發，由平面LVHO-DEA驅動，在200伏電壓下，游動速度達到0.2體長/秒，遠超傳統千伏級驅動的同類機器人；另一種是翻車魚狀機器人，由兩臺卷式LVHO-DEA驅動，不僅能實現穩定游動，還可通過獨立控制兩側執行器，完成遠程轉向、直線前進等復雜動作，在300伏電壓下游動速度可達0.3體長/秒。

軟機器人魚的LVHO-DEAs

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

LVHO-DEA驅動的軟爬行機器人

這項研究的突破性在于，它通過系統性創新，將DEAs的驅動電壓從“千伏時代”拉入了“百伏時代”。它證明了，人造肌肉完全可以像自然肌肉一樣，在低電壓下實現高輸出和靈活控制，為未來無系繩、可穿戴、高度集成的軟體機器人鋪平了道路。