浙大造出200伏人工肌肉，軟體機器人終于可以拔掉電源線了？

近日，浙江大學石燁教授和團隊造出一款人工肌肉，通電后能像真的肌肉一樣收縮和舒張，驅動電壓只用了 200 伏。跟之前同類材料動不動就要幾千伏相比，這個數字已經降了一個數量級。200 伏的電壓可以用小型電池加上微型升壓電路來實現，軟體機器人終于可以擺脫那根拖在身后的電源線了。

這款人工肌肉在 20 伏每微米的電場下，也就是 10 微米厚的薄膜加 200 伏電壓，面積擴張了 25%。能量密度達到了每公斤 38.4 焦耳，功率密度每公斤 452 瓦，這個輸出能力已經超過了天然肌肉。他們把 10 層薄膜堆疊在一起，總厚度只有 0.2 毫米左右，卻能夠拉動 300 克的重物，相當于自身重量的 6,800 多倍。

人工肌肉的驅動電壓降到 200 伏后，很多以前不敢想的事情就能做了，特別是把電源、電路、通信、肌肉等等部件都集成到不到一個手掌大小的機器人身上，徹底擺脫累贅的外部電源。

他們首先做了一個可穿戴的柔性流體泵，把原來平面薄膜狀的人工肌肉卷成圓筒狀，通上 200 伏的電，圓筒就會有節奏地擴張和擠壓，驅動水流。把這個泵戴在手腕上，接上水管和水箱，水就能在管路里循環流動，給手部皮膚降溫。一個完整的循環大概需要三分鐘，如果電壓升到 400 伏，十秒鐘就能走完一圈，這個泵循環了十萬次以上，流量幾乎沒有任何衰減。

他們還做了兩條仿生機器魚。

第一條魚是仿蝠鲼，就是那種扁扁的魔鬼魚，用了平面型人工肌肉，肌肉收縮時魚身體彎曲，帶動兩側胸鰭上下拍動。這條魚在 200 伏電壓下游動速度是每秒 1.1 厘米，大約每秒鐘走 0.2 倍體長。

另一條魚是仿太陽魚，他們用了兩個卷筒型人工肌肉分別驅動左右鰭，兩個肌肉可以獨立控制。只動右邊的肌肉，魚就往左拐；只動左邊的肌肉，魚就往右拐；兩個同時動，魚就可以直行。這條魚在 200 伏下能跑出每秒 1.1 厘米的速度，300 伏下達到每秒 2.6 厘米。

他們還做了一個爬行機器人，這個機器人沒有腿，就是一片長方形的柔性薄膜，一頭貼在硬質的電路板上，另一頭懸空。通電后薄膜彎曲，改變和地面的接觸角度，整個身體就會向前爬。

200 伏電壓下它每秒能爬 3.3 毫米，如果換個方向彎曲，每秒能爬 4.5 毫米。而且這個機器人直接街到 220 伏的家用電上也能爬，每秒能爬 6.2 毫米，還能馱著 0.4 克的重物緩慢移動。

人工肌肉的學名叫介電彈性體驅動器，它的工作原理是在一片彈性薄膜上下兩面做上柔性電極，通電后正負電極互相吸引，把薄膜壓扁，薄膜就會向四周擴張，斷電后薄膜恢復原狀，這個過程跟真正的肌肉收縮非常像。以前這類材料需要幾千伏高壓才能動起來，主要是因為以下三個參數卡住了：一是彈性薄膜太硬壓不動；二是材料的介電常數太低，產生的壓力不夠；三是單層薄膜太厚，需要的電壓就高。

該團隊在這三項上做了系統性的改進，他們合成了一種新型彈性體，里面添加了一種叫 LiTFSI 的有機鹽。這種鹽能解離成離子，跟高分子網絡形成強度適中的化學鍵，把材料的介電常數從 5 左右提升到了 13。之前的方法要么添加高介電常數的陶瓷顆粒，要么就是在高分子材料上連接帶有強正負電荷分部的化學基團，結果彈性體變得又硬又脆。

該團隊發現 LiTFSI 的鍵合強度恰到好處，既能把介電常數拉上去，又不會讓材料變僵硬。這就像在面團里加食用油，加多了面團會散，加少了還是會粘手，而他們找到了那個完美的比例。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

介電常數提升后，同樣電壓下產生的靜電力大了將近三倍。不過他們沒有滿足于此，他們同步把薄膜厚度從常見的幾十上百微米降到了 10 微米左右，大約是頭發絲直徑的六分之一。

電壓等于電場強度乘以厚度，厚度減到十分之一，同樣電場下電壓也降到十分之一。但單純減小薄膜厚度意味著總的肌肉量也減小了，導致能輸出的總能量變小。為此該團隊發明了一種干法堆疊工藝，把幾十層薄膜和電極層層平整地疊在一起，層與層之間用特制的粘合層固定，不會分層也不會起泡。

石燁告訴 DeepTech，他們做這個工作的初衷很樸素，就是解決人工肌肉電壓太高沒法實際用這一核心難題。石燁在 2021 年底回國加入浙江大學，帶著他的第一個博士生，從基本原理出發畫了一張路線圖，花了將近四年時間一步步走完。

中間遇到過很多困難，比如薄膜太薄難以加工處理，比如添加劑選了好幾種都不合適，比如升壓電路做不小。但是他們沒有更換目標，而是一步一個腳印把這些坎都邁過去了。現在他們不僅把電壓降到了 200 伏，還把這門技術做成了一套完整的工具箱，從材料配方到薄膜堆疊工藝，從微型升壓電路到機器人系統集成實現了全部打通。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9

人工肌肉的應用前景非常廣闊，首先就是機器人領域，現在市面上的人形機器人和機器狗都是剛性結構，關節靠電機驅動，遇到狹窄縫隙或者復雜地形容易卡住。人工肌肉做出來的軟體機器人可以伸縮變形，像章魚一樣鉆進狹小空間，在廢墟搜救或者管道檢測中很有優勢。

其次是人機交互，剛性機器人如果失控砸到人會很危險，軟體機器人即使出故障也不會造成嚴重傷害，更適合做陪伴型或者護理型機器人。外骨骼可以幫助士兵或者搬運工減輕負重，走路抬東西時有一部分力由人工肌肉來出。

醫學康復則是另一個方向，老年人或者手部受傷的患者肌肉力量不足，可以戴上一副人工肌肉手套，幫助抓取物體。

觸覺反饋是一個更前沿的應用，他們所展示的人工肌肉陣列可以植入到手套或者電子皮膚中，每個小圓點獨立控制。遠程手術時醫生戴上這種手套，手術機器人觸碰到的組織是硬還是軟、肌肉還是骨骼，都能通過手套上的觸覺點陣實時反饋給醫生。對于醫生來說光靠眼睛看是不夠的，觸覺能讓手術更精準。

該團隊未來的計劃是把人工肌肉和傳感元件、計算芯片集成到一起，做出更有智能的軟體機器人。現在的人工肌肉只能執行簡單的通斷電指令，如果配上傳感器，它就能感知自己的狀態和環境，如果配上芯片它就能做決策。同時，石燁也在考慮技術轉化，可能會通過創業或者與企業合作的方式，把人工肌肉真正推向市場。

參考資料：

相關論文 https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ady9635

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成