【Science Advances】“安全可触”的低电压仿生人工肌肉，让机器人更柔、更轻、更安全

在机器人领域，刚性机器人虽然精度高，但在需要柔顺性、抗干扰性或高能效的复杂环境中往往力不从心。为此，科学家们致力于研发仿生机器人，尤其是模仿人体肌肉的“人工肌肉”。其中，电液致动器因具备与哺乳动物肌肉相媲美的速度与功率密度而备受关注。然而，这类致动器通常需要数千伏的高压驱动，导致驱动电路笨重、低效且存在安全隐患，严重限制了其在无束缚机器人中的广泛应用。针对这一难题，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）软体机器人实验室的研究团队提出了一种创新解决方案。他们在国际顶尖期刊 《Science Advances》 上发表题为 《Low-voltage electrohydraulic actuators for untethered robotics》 的研究论文，成功研发出一种名为 HALVE（液压放大低电压静电）的新型致动器。该致动器仅需 1100伏 的工作电压（比当前先进技术降低4.9倍），即可实现与哺乳动物骨骼肌相当的平均功率密度（50.5瓦/千克）和峰值应变速率（971%/秒），同时具备 安全可触摸、防水、自修复 等特性，为下一代轻便、安全、高效的无束缚软体机器人带来了革命性突破。01应用展示02研究亮点电压大幅降低： 工作电压降至1100V，比同类先进致动器降低4.9-6.6倍。性能对标生物肌肉： 功率密度和应变速率达到哺乳动物骨骼肌水平。高安全性与鲁棒性： 外壳绝缘可安全触摸，且具有防水和“自清除”抗击穿能力。驱动系统小型化： 配套开发了小巧、高效、低成本的多通道高压电源。应用验证成功： 成功集成于无束缚机械手和仿生机器鱼中，展示了其实用性。03图文解析研究通过采用三层复合结构——将高介电常数铁电聚合物（PVDF-TrFE-CTFE）作为中间介电层，两侧结合强度高的结构壳层与电极——在保持高功率密度和应变速率的前提下，将驱动电压从数千伏降至1100伏。团队建立了包含材料非线性介电特性的理论模型，并通过实验验证了其力-应变性能与生物肌肉相当，同时具备安全可触摸、防水及自修复特性。最后，研究集成了微型高压电源，并成功在无束缚机械手和仿生机器鱼中展示了该致动器的实用性与潜力。
图 1低电压肌肉系统概览图1展示了HALVE致动器的工作原理、结构对比及性能定位。其核心创新在于三层复合膜结构（结构壳层、电极、高介电常数介质层），替代了传统Peano-HASEL的单一介质层。这使得在1100V的低电压下，其平均比功率便能达到生物肌肉的典型水平（50 W/kg），远优于传统致动器在更高电压下的表现。右侧展示了基于HALVE的紧凑型无束缚夹持器和机器鱼雏形。
图 2介电材料建模与验证为准确预测性能，团队对关键的高介电材料（PVDF-TrFE-CTFE）进行了深入表征。通过测量电位移-电场（D-E）迟滞回线，计算了随电场变化的“表观介电常数”，并据此建立了更精确的力-应变模型。结果表明，新材料在低电场下具有高介电常数，但随电场升高会下降，这一非线性特性被成功纳入模型，使理论预测与实测数据吻合良好。
图 3致动器性能表征通过实验直接对比了HALVE与传统Peano-HASEL致动器的性能。在提供相似输出力与应变的情况下，HALVE所需电压仅为后者的1/5至1/6。动态测试显示，HALVE在1100V驱动下可实现高达971%/s的峰值应变速率，超越生物肌肉。其力-应变曲线与基于“表观介电常数”的改进模型高度一致，验证了设计的可靠性。
图 4系统集成特性展示图4凸显了HALVE致动器面向实用化的优异特性。绝缘外壳使其即使在800V工作时也能被安全触摸，并可在水中正常工作（图A、B）。更关键的是其“自清除”特性（图C、D）：当内部介质发生局部击穿时，仅会烧毁局部电极，而不会导致整个致动器失效或漏油，极大提升了系统鲁棒性。图E展示了致动器甚至能提起为其供电的微型高压电源（仅13克），体现了系统的高度集成与轻量化。
图 5无束缚夹持器演示研究团队打造了一个仅重45克的全集成无束缚夹持器。它由两个HALVE“肌肉包”驱动，通过肌腱拉动手指，配合弹性元件回位。整个系统由单通道微型电源（900V）和一块小电池供电，能够稳定抓取并提起光滑的塑料块，证明了其在轻型灵巧操作任务中的应用潜力。
图 6无束缚仿生机器鱼演示为验证在复杂动态环境中的应用，团队开发了一条仿生机器鱼（长约28厘米）。鱼身两侧安装的HALVE致动器作为拮抗肌对，在800V电压下交替驱动，推动柔性鱼尾摆动产生向前游动的推力。机器鱼实现了最大3.8厘米/秒的游速，并可持续运行约54分钟，展示了HALVE致动器在自主水下机器人领域的应用前景。04总结与展望 本研究成功开发出的HALVE低电压电液致动器，通过采用三层复合结构与高介电常数铁电聚合物，在显著降低工作电压的同时，保持了媲美生物肌肉的高动态性能。其安全、防水、自修复的特性，以及配套微型化驱动电路的实现，解决了长期制约静电致动器走向实用化的核心瓶颈——高压、笨重与安全隐患。尽管当前设计在热封耐久性和介质薄膜击穿场强方面仍有提升空间，但这项研究为新一代无束缚软体机器人、可穿戴设备及人机交互系统提供了关键的动力单元。展望未来，通过集成更高性能的介电材料（如纳米复合材料）、进一步优化薄膜制备工艺（如采用电喷雾技术），以及结合更微型的驱动电子，HALVE技术有望催生出更多具有高自由度、高生物亲和性的仿生机器人，真正让柔顺、安全的机器人更深入地融入我们的生活与工作场景。