浙大造出200伏人工肌肉，软体机器人终于可以拔掉电源线了？

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（来源：DeepTech深科技）

近日，浙江大学石烨教授和团队造出一款人工肌肉，通电后能像真的肌肉一样收缩和舒张，驱动电压只用了 200 伏。跟之前同类材料动不动就要几千伏相比，这个数字已经降了一个数量级。200 伏的电压可以用小型电池加上微型升压电路来实现，软体机器人终于可以摆脱那根拖在身后的电源线了。

这款人工肌肉在 20 伏每微米的电场下，也就是 10 微米厚的薄膜加 200 伏电压，面积扩张了 25%。能量密度达到了每公斤 38.4 焦耳，功率密度每公斤 452 瓦，这个输出能力已经超过了天然肌肉。他们把 10 层薄膜堆叠在一起，总厚度只有 0.2 毫米左右，却能够拉动 300 克的重物，相当于自身重量的 6,800 多倍。

人工肌肉的驱动电压降到 200 伏后，很多以前不敢想的事情就能做了，特别是把电源、电路、通信、肌肉等等部件都集成到不到一个手掌大小的机器人身上，彻底摆脱累赘的外部电源。

他们首先做了一个可穿戴的柔性流体泵，把原来平面薄膜状的人工肌肉卷成圆筒状，通上 200 伏的电，圆筒就会有节奏地扩张和挤压，驱动水流。把这个泵戴在手腕上，接上水管和水箱，水就能在管路里循环流动，给手部皮肤降温。一个完整的循环大概需要三分钟，如果电压升到 400 伏，十秒钟就能走完一圈，这个泵循环了十万次以上，流量几乎没有任何衰减。

他们还做了两条仿生机器鱼。

第一条鱼是仿蝠鲼，就是那种扁扁的魔鬼鱼，用了平面型人工肌肉，肌肉收缩时鱼身体弯曲，带动两侧胸鳍上下拍动。这条鱼在 200 伏电压下游动速度是每秒 1.1 厘米，大约每秒钟走 0.2 倍体长。

另一条鱼是仿太阳鱼，他们用了两个卷筒型人工肌肉分别驱动左右鳍，两个肌肉可以独立控制。只动右边的肌肉，鱼就往左拐；只动左边的肌肉，鱼就往右拐；两个同时动，鱼就可以直行。这条鱼在 200 伏下能跑出每秒 1.1 厘米的速度，300 伏下达到每秒 2.6 厘米。

他们还做了一个爬行机器人，这个机器人没有腿，就是一片长方形的柔性薄膜，一头贴在硬质的电路板上，另一头悬空。通电后薄膜弯曲，改变和地面的接触角度，整个身体就会向前爬。

200 伏电压下它每秒能爬 3.3 毫米，如果换个方向弯曲，每秒能爬 4.5 毫米。而且这个机器人直接街到 220 伏的家用电上也能爬，每秒能爬 6.2 毫米，还能驮着 0.4 克的重物缓慢移动。

人工肌肉的学名叫介电弹性体驱动器，它的工作原理是在一片弹性薄膜上下两面做上柔性电极，通电后正负电极互相吸引，把薄膜压扁，薄膜就会向四周扩张，断电后薄膜恢复原状，这个过程跟真正的肌肉收缩非常像。以前这类材料需要几千伏高压才能动起来，主要是因为以下三个参数卡住了：一是弹性薄膜太硬压不动；二是材料的介电常数太低，产生的压力不够；三是单层薄膜太厚，需要的电压就高。

该团队在这三项上做了系统性的改进，他们合成了一种新型弹性体，里面添加了一种叫 LiTFSI 的有机盐。这种盐能解离成离子，跟高分子网络形成强度适中的化学键，把材料的介电常数从 5 左右提升到了 13。之前的方法要么添加高介电常数的陶瓷颗粒，要么就是在高分子材料上连接带有强正负电荷分部的化学基团，结果弹性体变得又硬又脆。

该团队发现 LiTFSI 的键合强度恰到好处，既能把介电常数拉上去，又不会让材料变僵硬。这就像在面团里加食用油，加多了面团会散，加少了还是会粘手，而他们找到了那个完美的比例。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

介电常数提升后，同样电压下产生的静电力大了将近三倍。不过他们没有满足于此，他们同步把薄膜厚度从常见的几十上百微米降到了 10 微米左右，大约是头发丝直径的六分之一。

电压等于电场强度乘以厚度，厚度减到十分之一，同样电场下电压也降到十分之一。但单纯减小薄膜厚度意味着总的肌肉量也减小了，导致能输出的总能量变小。为此该团队发明了一种干法堆叠工艺，把几十层薄膜和电极层层平整地叠在一起，层与层之间用特制的粘合层固定，不会分层也不会起泡。

石烨告诉 DeepTech，他们做这个工作的初衷很朴素，就是解决人工肌肉电压太高没法实际用这一核心难题。石烨在 2021 年底回国加入浙江大学，带着他的第一个博士生，从基本原理出发画了一张路线图，花了将近四年时间一步步走完。

中间遇到过很多困难，比如薄膜太薄难以加工处理，比如添加剂选了好几种都不合适，比如升压电路做不小。但是他们没有更换目标，而是一步一个脚印把这些坎都迈过去了。现在他们不仅把电压降到了 200 伏，还把这门技术做成了一套完整的工具箱，从材料配方到薄膜堆叠工艺，从微型升压电路到机器人系统集成实现了全部打通。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

人工肌肉的应用前景非常广阔，首先就是机器人领域，现在市面上的人形机器人和机器狗都是刚性结构，关节靠电机驱动，遇到狭窄缝隙或者复杂地形容易卡住。人工肌肉做出来的软体机器人可以伸缩变形，像章鱼一样钻进狭小空间，在废墟搜救或者管道检测中很有优势。

其次是人机交互，刚性机器人如果失控砸到人会很危险，软体机器人即使出故障也不会造成严重伤害，更适合做陪伴型或者护理型机器人。外骨骼可以帮助士兵或者搬运工减轻负重，走路抬东西时有一部分力由人工肌肉来出。

医学康复则是另一个方向，老年人或者手部受伤的患者肌肉力量不足，可以戴上一副人工肌肉手套，帮助抓取物体。

触觉反馈是一个更前沿的应用，他们所展示的人工肌肉阵列可以植入到手套或者电子皮肤中，每个小圆点独立控制。远程手术时医生戴上这种手套，手术机器人触碰到的组织是硬还是软、肌肉还是骨骼，都能通过手套上的触觉点阵实时反馈给医生。对于医生来说光靠眼睛看是不够的，触觉能让手术更精准。

该团队未来的计划是把人工肌肉和传感元件、计算芯片集成到一起，做出更有智能的软体机器人。现在的人工肌肉只能执行简单的通断电指令，如果配上传感器，它就能感知自己的状态和环境，如果配上芯片它就能做决策。同时，石烨也在考虑技术转化，可能会通过创业或者与企业合作的方式，把人工肌肉真正推向市场。

参考资料：

相关论文 https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9635

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成