图 双相双连续介电弹性体的材料设计及其软体机器人应用
在国家自然科学基金青年科学基金项目（A类）（批准号：52025057）、“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划集成项目（批准号：91948302）、面上项目（批准号：52275024）等项目的资助下，上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所朱向阳教授、谷国迎教授团队联合江西科技师范大学卢宝阳教授团队在高性能介电作动人工肌肉设计方面取得新进展。相关成果以“半分离双相双连续介电弹性体高性能人工肌肉（Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle）”为题，于2025年12月5日在《科学》（Science）期刊在线发表，论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3521。上海交通大学博士研究生石笑天和邹江副教授为论文的共同第一作者。
在软体机器人、触觉交互和智能假肢等领域，开发高性能的电作动人工肌肉一直是一项重大挑战。传统介电弹性体材料在低驱动电场下的输出性能长期受限于其较低的机电灵敏度。
研究团队提出了一种“异交联诱导相分离”策略，研制出具有半分离双相贯通结构的介电弹性体（semi-separated biphasic bicontinuous dielectric elastomer, SBE），将机电灵敏度提升至360 MPa⁻¹。该策略利用了两种硅橡胶不同的交联机制，通过其异交联动力学的差异，引导两相在微米尺度进行自发组装。其中高介电常数的介电（D）相通过主链交联形成贯穿网络，而低杨氏模量的机械（M）相通过侧链交联构成力学骨架，形成边界融合、相互贯通的双相结构。这种微观结构既保持了材料的低杨氏模量，同时提高了其介电常数和击穿电场。实验表明，仅含10% D相的SBE材料，其杨氏模量约为10 kPa，相对介电常数为3.6，实现了高机电灵敏度。基于此材料制备的人工肌肉，在无需预拉伸的情况下，在35 V/μm的电场下实现了90%的面积应变。
基于此，研究团队研制了高性能剪切型人工肌肉。在较低电场驱动下，不同配比的人工肌肉均展现出优异的驱动应变能力：无需预拉伸即可产生超过50%的线性应变，应变速率高达400%/s，能量密度达到375 J/kg，充分展现了双相结构在提升人工肌肉综合性能方面的作用。进一步，研究团队制备出堆叠式和卷绕式两种结构的人工肌肉。堆叠式人工肌肉在高频下，实现了21.76 kPa的阻塞应力和2250 W/kg的功率密度。一个重1.2克的堆叠式人工肌肉能够在300克负载下往复运动，线性应变达91%。为展示其应用潜力，团队研发了由四个SBE人工肌肉驱动的仿人机械臂，具有119.3°的运动范围和0.24 N·m的输出力矩。此外，研制的多模态软体爬行机器人在300 Hz驱动频率下实现了22身长/秒的快速运动，通过调整前后肌肉的驱动相位即能实现前进、后退的切换，并在弯曲管道和复杂胃模型等非结构化环境中穿行。
这项研究通过材料设计、器件开发与软体机器人应用，展示了介电弹性体人工肌肉在机电灵敏度、输出力、功率密度和使用寿命等方面的性能突破，为下一代高性能、电驱动软体机器人研发提供了新的技术路径。