只需200伏电压就能驱动的柔性机器人用新型“软肌肉”

本文介绍了一种突破性的低电压、高输出介电弹性体驱动器（简称LVHO-DEA）。传统介电弹性体驱动器虽具备大形变、高能量密度、响应快等类似人工肌肉的优点，但需上千伏高压驱动，存在安全隐患且难以集成到便携式设备中，严重制约其在无线软体机器人、可穿戴设备等领域的应用。研究团队通过四大策略协同优化：一是设计新型弹性体材料HK-PHDE——在原有高性能介电弹性体（PHDE）中加入锂双三氟甲磺酰亚胺（LiTFSI）作为介电添加剂，既大幅提升介电常数（达约13），又保持优异的力学可调性与低模量（约0.56兆帕）；二是采用可放大的干法叠层工艺，将10微米厚的超薄膜多层堆叠，制成多层驱动器（MDEA），在不提高单层电压的前提下显著提升整体输出；三是优化结构设计，实现无预拉伸、无高频共振下的稳定驱动；四是配套开发轻薄柔韧的微型高压电子系统。最终，该LVHO-DEA在200伏工作电压下，能量密度达38.4焦耳/千克，功率密度达452瓦/千克。研究团队基于该驱动器成功研制了多种无线软体系统：①可穿戴手部温控流体电路（由卷式LVHO-DEA泵驱动，200伏下实现每分钟近2毫升水流）；②两种软体机器鱼——蝠鲼型（平面驱动，200伏下游速1.1厘米/秒）和翻车鱼型（双卷式驱动，支持远程转向控制）；③无线爬行软体机器人（200伏下爬行速度0.33厘米/秒），甚至可直接接入中国220伏家用交流电工作。这些成果首次将介电弹性体驱动器从实验室高电压理想状态，推进至贴近日常用电环境的实用化门槛，为柔性机器人、智能可穿戴、人机交互等前沿领域提供了安全、高效、易集成的新一代驱动平台。