Science｜上?？茖W家團隊為軟體機器人開發高性能的電作動人工肌肉

近日，《科學》（Science）在線發表了上海交通大學機械與動力工程學院機器人研究所朱向陽、谷國迎教授團隊的論文“Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle”，提出了一種雙連續相結構介電彈性體人工肌肉的設計方法。上海交通大學為論文第一作者和通訊作者單位，博士研究生石笑天和鄒江副教授為共同第一作者，朱向陽教授、谷國迎教授和江西科技師范大學盧寶陽教授為共同通訊作者。

在軟體機器人、觸覺交互和智能假肢等領域，開發高性能的電作動人工肌肉一直是一項重大挑戰。傳統介電彈性體材料在低驅動電場下的輸出性能長期受限于其有限的機電靈敏度，針對這一難題，該論文提出了一種“異交聯誘導相分離”策略，研制出具有半分離雙連續相結構的介電彈性體（SBE），將機電靈敏度提升至360 MPa?¹，為高性能人工肌肉的發展提供了新途徑。

該策略利用了兩種硅橡膠不同的交聯機制，通過其異交聯動力學的差異，引導兩相在微米尺度自發組裝。其中高介電常數的介電（D）相通過主鏈交聯形成貫穿網絡，而低楊氏模量的機械（M）相通過側鏈交聯構成力學骨架，形成邊界融合、相互貫通的雙相結構。這種微觀結構既保持了材料的低楊氏模量，同時提高了其介電常數和擊穿電場。實驗表明，僅含10% D相的SBE材料，其楊氏模量約為10 kPa，相對介電常數為3.6，實現了高的機電靈敏度?；诖瞬牧现苽涞娜斯ぜ∪?，在無需預拉伸的情況下，在35 V/μm的電場下實現了90%的面積應變。

基于此，研究團隊研制了高性能剪切型人工肌肉。實驗結果表明，在較低電場驅動下，不同配比的人工肌肉均展現出優異的驅動應變能力。譬如，無需預拉伸即可產生超過50%的線性應變，應變速率高達400%/s，能量密度達到375?J/kg等，充分展現了雙相結構在提升人工肌肉綜合性能方面的作用。

進一步，研究團隊制備出堆疊式和卷繞式兩種結構的人工肌肉。實驗結果表明：堆疊式人工肌肉在高頻下，實現了21.76 kPa的阻塞應力和2250 W/kg的功率密度。一個重1.2克的堆疊式人工肌肉能夠在300克負載下往復運動，線性應變達91%。

為展示其應用潛力，團隊研發了由四個SBE人工肌肉驅動的仿人機械臂，具有119.3°的運動范圍和0.24 N·m的輸出力矩。此外，研制的多模態軟體爬行機器人在300 Hz驅動頻率下實現了22身長/秒的快速運動，通過調整前后肌肉的驅動相位即能實現前進、后退的切換，在彎曲管道和復雜胃模型等非結構化環境中穿行。

這項研究通過材料設計、器件開發與軟體機器人應用，展示了介電彈性體人工肌肉在機電靈敏度、響應速度、功率密度和使用壽命等方面的新性能，為下一代高性能、電作動軟體機器人研發提供了新的技術路徑。

該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。