清华大学赵慧婵团队 AFM：分米尺度的静电驱动柔性人工肌肉新进展

2025-01-18 来源：高分子科技

自然界中，肌肉是动物实现灵活运动和复杂操作的关键执行器。在机器人领域，研发具备类似特性的高响应速度、轻量化柔性人工肌肉一直是研究热点。介电弹性体（Dielectric Elastomer, DE）驱动器因其高能量密度、大变形和快速响应等优点，被认为是最具潜力的人工肌肉智能材料之一。其基本结构为电介质薄膜夹在柔性电极之间，通过静电力实现机械运动。然而，传统DE人工肌肉的制备尺寸受限，难以制造分米及更大尺度的多层介电薄膜结构。

近日，清华大学机械工程系赵慧婵研究团队在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）发表了一篇题为“Long, Fibrous, and Tailorable Dielectric Elastomer Artificial Muscles via Mask-Free Stamping of Carbon Nanotube Electrodes”的研究论文，展示了团队在分米尺度DE人工肌肉制造方面的最新进展。

使用碳纳米管柔性电极无掩膜转印法制造的长纤维状及可切分介电弹性体人工肌肉

研究团队提出了一种创新性的无掩模碳纳米管柔性电极制造技术，通过图案化真空抽滤沉积和无掩膜转印的方法，将碳纳米管均匀沉积在介电弹性体基底上，从而实现大面积均匀柔性电极的制备。利用多层DE薄膜的卷绕构型，他们成功制备出长度达180毫米的纤维状DE人工肌肉，这一尺寸近似于人类手臂肌肉长度，为柔性人工肌肉在仿生机器人中的应用奠定了基础。此外，为应对高频运动中人工肌肉的充放电问题，研究团队开发了一种振幅调制驱动方法。在10 Hz共振频率下，该方法使产生的应变提升了64%，提升了人工肌肉的动态性能。

碳纳米管柔性电极图案化沉积方法及DE人工肌肉驱动的连杆模型

研究人员进一步巧妙利用人工肌肉的中空结构，使用柔性导光材料制作内芯，集成了柔性光波导传感器，实现了肌肉伸缩状态的实时感知。这种设计在保持柔性的同时实现了精准的感知与反馈控制，使人工肌肉具备了“自感知”特性。

集成式柔性光波导传感器实现人工肌肉的长度自感知

这种新型大面积DE薄膜制备工艺不仅突破了人工肌肉尺寸限制，还可以通过电极设计实现了驱动器的可切分特性，为批量化制备高一致性人工肌肉提供了新途径。研究人员将一根长人工肌肉切割成三个较短单元，成功构建了旋转发动机和张拉结构平台两种机械装置，分别展示了柔性人工肌肉在高频驱动和精确位置控制方面的应用潜力。相较于传统直线驱动器，DE人工肌肉因其柔性特性，减少了机械装置中铰链结构的使用，同时展现了更高的人机交互安全性，为DE人工肌肉在不同场景下的应用提供了更多可能。

通过切分得到的多个DE驱动器构建的机械装置

小结：这项工作展示了该团队近期在介电弹性体柔性人工肌肉制造上的新进展。研究者们提出的无掩模转印柔性电极技术，不仅为更大尺寸的DE人工肌肉制造提供了可能性，还开发了相应的驱动与应变感知方法，以实现高动态性能的驱动器和集成式自感知功能。最后，通过可切分特性制备的多个驱动器在机械装置中的应用，验证了人工肌肉的实用性和灵活性。这一研究成果向实现更高效、更智能的柔性驱动系统迈出了重要一步，未来有望在仿生机器人、可穿戴设备等领域发挥更大的作用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422905

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（责任编辑：xu）

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