浙大团队顶刊！200V低压DEAs人造肌肉问世，解介电弹性体高压难题

在众多人造肌肉技术中，介电弹性体致动器（DEA）被认为是最具前景的技术之一。

简单来说，DEAs就像一块“通电就会变形”的智能橡胶，其核心结构由一层介电弹性体（DE）薄膜和两侧的柔性电极组成。当施加电压，正负电极相互吸引挤压中间的薄膜，使其在厚度方向被压扁、面积迅速扩张，从而产生形变和动力。这种机制赋予了DEA大应变、高能量密度和毫秒级响应的卓越天赋。

然而，这项技术一直有一个致命的缺陷：它需要千伏级别的超高电压才能驱动。高电压不仅带来安全隐患，还要求配备庞大笨重的电源模块，使得DEAs长期被束缚在电线或复杂的实验室设备上，难以真正“走出去”。

现在，这一困境迎来了重大突破。近期来自浙大团队发表于《Science Robotics》的一项研究，通过巧妙的材料设计与工艺创新，成功开发出低压高输出介电弹性体执行器（LVHO-DEA），首次让DEAs在200伏的超低电压下，爆发出超越自然肌肉的惊人力量，并驱动了一系列可以在桌面、手掌中自由活动的无系绳软体机器人。

01.

破解“高电压”魔咒的四把钥匙

为什么DEAs需要高压？从核心公式看，其驱动力与电压的平方成正比，与薄膜厚度的平方成反比。这意味着，要想降低电压而不牺牲动力，研究者需要同时握紧四把钥匙：

优化介电弹性体应力-应变行为，降低材料的杨氏模量，让它更容易被推动。

提高材料的介电常数，使其在同样电压下能储存更多电能，产生更强静电力。

构建多层结构致动器：将单层厚膜换成几十层超薄膜堆叠，既降低了每层所需的驱动电压，又通过叠加保证了总输出力。

制备超薄DEA：薄膜越薄，所需电压越低。

用于无系软机的高性能DEA

以往的研究大多只走其中一条路，结果总是顾此失彼。要么电压降了，输出也降了；要么材料性能好了，却无法加工成多层薄膜。

这项研究的创新之处，在于系统性地将四把钥匙同时使用，解决了单一策略效果有限、多策略整合难度大的难点。

02.

调制出理想“肌肉”材料——HK-PHDE

研究者首先合成了一种全新的高介电常数可加工高性能介电弹性体材料，命名为HK-PHDE。

如何让材料又软、电容又高？传统的做法是往里添加高介电常数的陶瓷粉末，但虽然电容率上去了，材料却变硬变脆，甚至不透明。研究者另辟蹊径，引入了一种特殊的有机盐——双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）。

HK-PHDE在低驱动电场下具有高执行性能的合成

它可在弹性体网络中解离并通过锂键、氢键与高分子链结合，在大幅提高介电常数的同时，几乎不改变材料力学性能，且分散均匀无相分离，保证了材料的光学透明性与拉伸性。最终得到的HK-PHDE，在保持极低杨氏模量（约0.56兆帕，比许多橡皮筋还软）的同时，将介电常数提升到了13（1千赫兹下）。在35伏每微米的电场下，单层薄膜就能产生超过110% 的面积应变，且无需任何机械预拉伸。

03.

HK-PHDE多层薄膜致动器

仅仅有高性能的材料还不够，要实现高机械输出，还需要解决薄膜输出力不足的问题。单一的HK-PHDE薄膜虽然性能优异，但厚度仅数十微米，小面积薄膜的机械输出难以驱动需要高输入力的设备。科研人员采用了改良的干堆叠工艺，将多层HK-PHDE薄膜高效堆叠，制成多层介电弹性体执行器（MDEA）。这种工艺能够保证每层薄膜厚度均匀、层间结合紧密，使得多层堆叠后的执行器依然保持与单层薄膜类似的应力-应变行为，同时在相同驱动电场下，机械输出得到显著放大。

使用HK-PHDE薄膜构建MDEAs

经过优化，10层HK-PHDE堆叠制成的MDEA表现出色的性能：在标称电场20V/μm（对应驱动电压仅200伏）时，能量密度达到38.4焦耳/千克，功率密度为452瓦/千克，远超自然肌肉的机械能力；在35V/μm电场下，能量密度更是达到76.7焦耳/千克，功率密度为1024瓦/千克。更重要的是，这种LVHO-DEA无需预拉伸、无需高频共振，在低电压下就能实现稳定的高输出，彻底解决了传统DEAs的核心痛点。

04.

走出实验室：LVHO-DEAs驱动的机器人王国

将电压降至200伏，是DEA从实验室走向应用的关键一步。因为200伏不仅远低于千伏高压，甚至低于一些国家的市电电压，这让使用小巧、轻便的电子模块驱动DEAs成为可能。

科研人员基于LVHO-DEAs，成功开发出多款无系绳软设备和软机器人，用实际效果证明了这项技术的应用潜力。

其中，无系可穿戴流体电路尤为引人注目，它专为手部皮肤热管理设计，由LVHO-DEA驱动的蠕动泵、硅胶流道、锂离子电池和定制柔性电子板组成。这款设备采用卷式LVHO-DEA作为驱动核心，在200伏电压、8赫兹频率下，能够以1.9毫升/分钟的流量驱动水流，完成一次手部热管理循环仅需3分钟，且可灵活贴合手腕，佩戴舒适，稳定性极强，能够连续工作超过10万次循环。

一个由LVHO-DEA泵驱动的无系穿戴流体电路，用于手部热管理

在软机器人领域，LVHO-DEAs更是展现出强大的适配性。科研人员开发了两种不同驱动机制的无系绳软机器人鱼：一种是受魔鬼鱼启发，由平面LVHO-DEA驱动，在200伏电压下，游动速度达到0.2体长/秒，远超传统千伏级驱动的同类机器人；另一种是翻车鱼状机器人，由两台卷式LVHO-DEA驱动，不仅能实现稳定游动，还可通过独立控制两侧执行器，完成远程转向、直线前进等复杂动作，在300伏电压下游动速度可达0.3体长/秒。

软机器人鱼的LVHO-DEAs

更具突破性的是，科研人员还开发了一款可直接由家用220伏交流电驱动的软爬行机器人。这款机器人通过将平面LVHO-DEA与被动PET薄膜干叠并弯曲成型，在整流后的220伏交流电压驱动下，能够以0.62厘米/秒的速度爬行，携带负载时仍能保持稳定运动。这一成果极大地降低了软机器人的应用门槛，为桌面级软机器人的普及提供了可能。

LVHO-DEA驱动的软爬行机器人

这项研究的突破性在于，它通过系统性创新，将DEAs的驱动电压从“千伏时代”拉入了“百伏时代”。它证明了，人造肌肉完全可以像自然肌肉一样，在低电压下实现高输出和灵活控制，为未来无系绳、可穿戴、高度集成的软体机器人铺平了道路。