上海交通大学，Science！

研究背景

电驱动介电弹性体人造肌肉代表了软机器人领域的变革性进步。在软机器人、触觉技术和假肢领域，设计能够将电能转化为机械能的肌肉状软执行器是一个重要的挑战。介电弹性体薄膜夹在两个柔性电极之间，施加电压时会因静电应力（麦克斯韦应力）而在厚度上压缩并在面积上扩张，从而产生形变。

关键问题

当前研究主要存在以下问题：

1、输出性能瓶颈

由于介电弹性体的机电敏感性不足，电驱动介电弹性体人造肌肉的输出性能遇到了瓶颈。

2、敏感性调控困难

调整机电敏感性（表示为相对介电常数e_r与杨氏模量Y的比值）以在较低电场下改善执行器性能一直具有挑战性。虽然可以通过提高e_r取得进步（目前敏感性通常在110 MPa^-1以内），但降低Y以提高敏感性的策略通常会损害e_r以及击穿电场和寿命等其他机电参数。

新思路

有鉴于此，上海交通大学朱向阳教授和谷国迎教授、江西科技师范大学卢宝阳教授等人提出了一种异质交联诱导相分离策略，以设计具有360 MPa^-1高机电敏感性的半分离双相双连续介电弹性体。该策略利用不同的硅酮弹性体交联机制，在所得弹性体中形成了一个相互连接的介电相，嵌入在一个柔软的机械相内。这些基于弹性体的人造肌肉同时展现出高能量密度和高功率密度，以及在低驱动电场下的超长寿命。应用包括具有大行程的机械臂以及具有多模态运动的无束缚软爬行机器人，展示了它们的通用性。

技术方案：

1、提出了异质交联诱导相分离策略

作者提出异质交联相分离策略设计半分离双相双连续介电弹性体，兼具优良介电性能和机械稳定性。

2、设计了一种SBE基人造肌肉

研究人员基于SBE设计纯剪切人造肌肉，其具有高线性应变、高能量密度和强大负载驱动能力，性能超越天然肌肉和现有介电弹性体人造肌肉。

3、验证了SBE的长期稳定性和鲁棒性

SBE基人造肌肉在长期服役中表现出显著的抗疲劳性和自清除能力，疲劳阈值提高三倍以上，寿命可达1亿次驱动循环，性能稳定且超越传统材料。

4、展示了SBE基人工肌肉的应用

SBE基人造肌肉用于仿人机械臂和多模态软爬行机器人，具有大形变、高力输出、快速运动和低驱动电场等优势，实现了高性能和无束缚应用。

技术优势：

1、设计了创新材料并实现了高敏感性突破

本文提出了异质交联诱导相分离策略，成功构建了半分离双相双连续介电弹性体（SBE）。该材料的机电敏感性达到了创纪录的360 MPa^-1，远高于现有报道的110 MPa^-1的常规上限，从而显著提高了介电弹性体的电机械转换效率。

2、设计的材料综合性能卓越且超长寿命

基于SBE的人造肌肉在低驱动电场下，同时实现了高能量密度、高功率密度、高应变和超长使用寿命（在260Hz下超过1亿次循环）。此外，SBE材料通过模糊相边界产生介电屏障，增强了击穿电场，并展现出自清除能力和优异的抗疲劳阈值。

技术细节

异质交联诱导相分离策略

本文提出了一种异质交联诱导相分离策略来设计半分离双相双连续介电弹性体(SBE)。该策略利用两种商业硅酮弹性体(Sylgard 170和Elastosi P7676)的不同交联机制，在一个非常柔软的机械相(M-Phase)内形成相互连接的介电相(D-Phase)。D-Phase(相对介电常数~ 3.9)是通过遥爪乙烯基功能化聚二甲基硅氧烷的高密度主链交联制备的;而 M-Phase(超低杨氏模量~ 8kPa)是通过瓶刷状聚二甲基硅氧烷的低密度侧链交联实现的。由于相似的聚二甲基硅氧烷链相互渗透，异质交联机制导致形成了具有模糊边界的两个不同相，这与均匀的双网络弹性体不同。结构和形态表征(XCT和AFM)证实了SBE的双相双连续拓扑结构。通过系统研究发现SBE表现出介于两种纯组分之间的杨氏模量和介电常数。尤其是SBE-1(仅含 10% D-Phase)的杨氏模量(~ 10 kPa)略高于纯 M-Phase，但相对介电常数达到3.6，机电敏感性高达 360 MPa^-1。此外，SBE具有比纯 M-Phase 和 D-Phase 更好的弹性和机械稳定性。模糊的相边界产生了无处不在的介电屏障，从而提高了击穿电场。SBE-1的击穿场强高于35 Vum^-1，能够在不预拉伸的情况下产生90%的而积应变。

图  异相交联诱导相分离策略与材料性能

高性能SBE基人造肌肉

为了利用SBE的优异性能，研究人员首先设计了一种纯剪切SBE基人造肌肉，其由单层 SBE 弹性体膜和两侧的柔性电极组成。由于 SBE 的机电敏感性和击穿电场得到增强，基于 SBE 的人工肌肉能够产生超过 50% 的线性应变(SBE-1)，应变速率达到 400%s^-1。在低工作频率(<2 Hz)下，SBE-1、SBE-4 和 SBE-6 的最大能量密度分别达到 209 Jkg^-1、334Jkg^-1和375 Jkg^-1，通常高于纯 M-Phase 和 D-Phase 以及现有报道的工作成果。研究人员开发了一种高效的制造工艺来制造多层 SBE 基人造肌肉，通过干堆叠或简单卷绕组装成堆叠或卷绕式执行器。其中，堆叠式 SBE 基人造肌肉在共振状态(> 200 Hz)和极低电场(35 Vum^-1)下，表现出 21.76 kPa的最大受阻力密度和 2250 Wkg^-1的功率密度。尽管杨氏模量超低(~10 kPa)，堆叠式 SBE 人造肌肉(高 4.5 mm)仍能够重复提升 300g的负载(自身重量的 250倍)，行程达到 4.1 mm(约 91% 线性应变)，最大速度为 15 Hz 。这种强大的负载驱动能力超越了天然肌肉和现有报道的介电弹性体人造肌肉。

图  SBE基人工肌肉的性能研究

长期稳定性和鲁棒性

长期服役过程中性能不可避免的退化是人造肌肉应用和商业化的主要挑战之一。SBE在疲劳测试中表现出显著增强的机械鲁棒性。与纯 M-Phase 弹性体(21Jm^-2)相比，SBE 的疲劳阈值(78 Jm^-2)提高了三倍以上。这归因于拉伸性较低的D-Phase充当机械耗能器，同时高拉伸性的 M-Phase 保持 SBE 的完整性和弹性。SBE 在模拟实际工作条件下的 50,000 次循环拉伸测试中，应力损失几乎可以忽略(<1%)。SBE基人造肌肉在涂覆碳纳米管电极后展现出自清除能力。通过烧毁低击穿路径，自清除过程有效减少了结构缺陷和微孔，从而提高了输出性能和长期稳定性。凭借自清除能力和增强的疲劳阈值，SBE 基人造肌肉在低频和高频下均表现出增强的输出能力和延长的寿命。在 35 Vum^-1 的电场下，其寿命可达1亿次以上的驱动循环(260 Hz)，远超纯 M-Phase 人造肌肉和其他商业硅酮弹性体执行器。

图  SBE人工肌肉的长期稳定性和鲁棒性

应用

SBE基人工肌肉的应用包括机械臂和多模态超快无束缚机器人。研究人员开发了一个由四个纯剪切SBE基人造肌肉(作为二头肌和三头肌)和一个旋转关节组成的仿人机械臂。这种纯剪切配置在低频操作条件下能产生大形变和高力输出。该机械臂的最大角位移可达119.3°最大输出扭矩为0.24 N m，能够举起 80 g负载60.4°。整个机械臂系统经过超过40.000次循环测试，性能保持稳定。此外，还设计并制造了一个能够多模态运动的软爬行机器人。该机器人将 SBE 肌肉产生的强振动通过定向矩形足转换为快速爬行，在 300 Hz和 30 Vum^-1场强下，最大爬行速度达到 22 BLs^-1 。通过引入相延迟，机器人还可以实现向后爬行。SBE 基人造肌肉所需的低驱动电场为无束缚应用铺平了道路，实现了集成了升压模块、微控制器和电池的无束缚软爬行机器人。

图  SBE人工肌肉的应用

展望

本文通过异质交联诱导相分离策略，成功开发出一类具有高机电敏感性的半分离双相双连续介电弹性体。基于 SBE 的人造肌肉在高能量密度、高功率密度、响应速度和机电效率方面表现出卓越的驱动性能，并在低电场下实现了超过1亿次循环的超长寿命。该研究展示了SBE在具有大行程的机械臂和无束缚多模态软爬行机器人中的应用潜力，为下一代高性能电驱动软机器人的发展奠定了基础。

参考文献：

XIAOTIAN SHI, et al. Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle. Science, 2025, 390(6777): 1044-1049

DOI: 10.1126/science.adr3521

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3521#tab-contributors

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