介電彈性體驅(qū)動(dòng)器在柔性機(jī)器人中的研究進(jìn)展

俞紅鋰，劉 茜

（上海工程技術(shù)大學(xué)紡織服裝學(xué)院，上海 201620）

0 前言

近些年來(lái)，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中承擔(dān)著越來(lái)越多的工作任務(wù)。傳統(tǒng)機(jī)器人主要由硬質(zhì)材料組成，雖然可以執(zhí)行人類難以完成的機(jī)械動(dòng)作，如自動(dòng)化生產(chǎn)線和搬運(yùn)重物等，但這也限制了其適應(yīng)性，難以滿足更多場(chǎng)景中的應(yīng)用需求。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，柔性機(jī)器人是一種由柔性材料組成的能夠執(zhí)行精細(xì)和靈活任務(wù)的機(jī)器人，具有良好的柔韌性和靈活性，并且在一些特定的環(huán)境中，擁有傳統(tǒng)機(jī)器人所不具備的優(yōu)勢(shì)，例如可以避免碰撞受損、適應(yīng)不同的形狀和表面、具有高的生產(chǎn)效率和可操作性等。柔性機(jī)器人在醫(yī)療、制造業(yè)、物流等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。其中，介電彈性體（DE）被稱為電致伸縮聚合物，其特點(diǎn)是受到外部電場(chǎng)的作用，能夠產(chǎn)生形狀和體積的變化，具有電致變形大、響應(yīng)速度快、能量密度高、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn)［1］，使其成為驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的一種理想選擇［2］。

本文基于現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)專利，介紹目前主要用于介電彈性體驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的不同種類的DE材料特點(diǎn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的不同構(gòu)型研究進(jìn)展，詳細(xì)闡述介電彈性體驅(qū)動(dòng)器在柔性機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 介電彈性體驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)介

1.1 介電彈性體種類

DE 材料對(duì)介電彈性體驅(qū)動(dòng)器（DEA）的性能有著至關(guān)重要的影響，為了獲得更好的性能，要求DE 材料同時(shí)具備低模量、低黏度、高擊穿強(qiáng)度、高介電常數(shù)和低介電損耗的優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的研究中，對(duì)各種DE材料進(jìn)行了研究，包括丙烯酸酯、硅橡膠和聚氨酯。

丙烯酸酯類彈性體由脂肪族丙烯酸酯的混合物制成，其彈性主要依靠柔性支鏈的脂肪族基團(tuán)和丙烯酸聚合物鏈的輕度交聯(lián)。丙烯酸酯彈性體在預(yù)拉伸條件下，因其在驅(qū)動(dòng)變形方面具有良好的表現(xiàn)，成為應(yīng)用最為廣泛的介電彈性體之一。其中，市售的3M 公司生產(chǎn)的VHB 系列膠帶最具代表性，據(jù)報(bào)道，經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度預(yù)拉伸的應(yīng)變可以超過(guò)380 %，并且其理論能量密度可以達(dá)到3.4 MJ/m3［3］。然而，丙烯酸酯彈性體具有較大的黏彈性，導(dǎo)致其反應(yīng)速度慢，并且長(zhǎng)期松弛影響其工作壽命［4］。

硅橡膠化學(xué)名稱為聚硅氧烷，是一種半無(wú)機(jī)類聚合物，由Si—O 鍵和2 個(gè)烴基作為基本單位，聚合形成長(zhǎng)鏈，應(yīng)用最為廣泛的硅橡膠為聚二甲基硅氧烷（PDMS）。硅橡膠彈性體具有比丙烯酸酯彈性體更低的黏彈性，因此，在低預(yù)應(yīng)變或無(wú)預(yù)應(yīng)變的情況下，硅橡膠彈性體表現(xiàn)出優(yōu)異的電致應(yīng)變，并且可以在較寬的溫度范圍內(nèi)操作，從而使其更適合溫度變化較大的應(yīng)用［5］。

聚氨酯是一種主鏈含有—NHCOO—重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的聚合物，包括硬質(zhì)聚氨酯塑料、軟質(zhì)聚氨酯塑料、聚氨酯彈性體和其他形式。其中，聚氨酯彈性體是一種介于普通橡膠和硬塑料之間的高分子聚合物，它是由二異氰酸酯、多種醇類和不同硫化劑組成的典型嵌段共聚物。由于其含有大量的極性官能團(tuán)，因此具有高極性，從而具有較高的介電常數(shù)，可以承受更大的電壓驅(qū)動(dòng)。然而，聚氨酯的模量較大，產(chǎn)生大應(yīng)變的能力有限［6］。

1.2 介電彈性體驅(qū)動(dòng)器構(gòu)型

DE 是高度可變形和不可壓縮的介電彈性體材料，當(dāng)在其兩側(cè)涂覆柔性電極時(shí)，DE 形成一個(gè)可變電容器，可以將靜電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。具體而言，在外部電場(chǎng)作用下，兩側(cè)電極上的相對(duì)電荷之間的靜電吸引會(huì)產(chǎn)生一種稱為麥克斯韋應(yīng)力的應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜厚度方向上收縮，面積上膨脹，其驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。

圖1 DEA驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.1 Working principle of DEA

自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，為了提高DEA 的電致變形效果和響應(yīng)速度，國(guó)內(nèi)外研究者們根據(jù)工作原理不斷地設(shè)計(jì)出許多不同構(gòu)型的DEA，如卷軸型、堆疊型、折疊型、錐型、撲翼型等［7］。

簡(jiǎn)單構(gòu)型的DEA 是在膜的兩面涂覆柔性電極，利用平面或厚度方向的變形實(shí)現(xiàn)線性位移。然而，單層膜在厚度方向上的變形太小，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要采用串聯(lián)的形式將多層DE 通過(guò)堆疊的方式開發(fā)多層DEA 以提高輸出力。Hau 等［8］采用堆疊的形式制備了結(jié)構(gòu)緊湊的多層DEA［圖2（a）］，在90 V/μm 的電場(chǎng)環(huán)境下，能夠產(chǎn)生大約100 N的力，沖程大約在3 mm，提高了驅(qū)動(dòng)裝置的增壓性能，使其可以適用于特定的應(yīng)用，如高壓閥。

圖2 典型DEA結(jié)構(gòu)［8-10］Fig.2 Typical DEA structures［8-10］

錐型DEA 是將DE 膜固定在剛性框架上，并受到垂直于其平面的偏置力，當(dāng)膜受到電壓時(shí)，表面膨脹，內(nèi)部張力減小，位移沿偏置力方向發(fā)生。Wang 等［9］設(shè)計(jì)了錐型介電彈性體驅(qū)動(dòng)器［圖2（b）］，并進(jìn)行了平移和旋轉(zhuǎn)雙穩(wěn)態(tài)DEA 的實(shí)驗(yàn)，證明了錐型雙穩(wěn)態(tài)DEA在不連續(xù)施加電壓的情況下保持穩(wěn)定變形是有效的。

卷軸型DEA 往往采用線性彈簧為支撐構(gòu)件，將預(yù)應(yīng)變的DE 薄膜卷繞在彈簧表面，當(dāng)DE 薄膜在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電致形變導(dǎo)致形狀改變，使彈簧產(chǎn)生伸長(zhǎng)和壓縮，達(dá)到驅(qū)動(dòng)效果。卷軸型DEA 可以實(shí)現(xiàn)在較小的體積內(nèi)獲得多層DE 薄膜和電極，層數(shù)越多，輸出的力越大。Li等［10］設(shè)計(jì)了一種具有大電致彎曲角度的彈簧卷軸型驅(qū)動(dòng)器［圖2（c）］，并研究其在柔性抓取器和柔性爬行機(jī)器人中的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)階段，DEA 的研究重點(diǎn)主要集中在提高其效率、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。此外，學(xué)者們還在探索新型材料、多場(chǎng)耦合效應(yīng)和智能控制等方面的研究，以推動(dòng)DEA的發(fā)展。

2 介電彈性體驅(qū)動(dòng)器在柔性機(jī)器人中的應(yīng)用

如今，DEA 常常被應(yīng)用于柔性機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和柔性傳感器中，并且通過(guò)與其他材料組成機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)和多樣化的機(jī)械操作［11］?；贒EA 的各種配置，研究者們不斷研究，已設(shè)計(jì)并開發(fā)了許多不同種類的柔性機(jī)器人，包括柔性抓取機(jī)器人、行走/爬行機(jī)器人、跳躍/飛行機(jī)器人、游泳機(jī)器人、仿人機(jī)器人、可穿戴設(shè)備等［12］。

2.1 柔性抓取器

柔性抓取器可以很容易地適應(yīng)物體的不平表面，從而能夠高效而精細(xì)地抓取具有未知幾何形狀、體積和質(zhì)量的多個(gè)物體。早期的柔性抓取器往往是基于介電彈性體最小能量結(jié)構(gòu)（DEMES）制備的。DEMES是將預(yù)拉伸的DE膜附著在柔性不可拉伸的框架上，通過(guò)控制電壓改變其彎曲狀態(tài)。當(dāng)松弛時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)彎曲，直到預(yù)拉伸薄膜上的張力和框架的彎矩達(dá)到平衡，從而形成類似夾具的形狀。Kofod 等［13］利用DEMES 開發(fā)了三指結(jié)構(gòu)的柔性抓取器［圖3（a）］。預(yù)拉伸的彈性體與彈性框架相結(jié)合，收縮的彈性體釋放的能量被部分地儲(chǔ)存為框架中的彎曲能量，當(dāng)施加電壓時(shí)，DE 的變形率增加，結(jié)構(gòu)的彎曲能量減小，三指逐漸打開包裹物體，當(dāng)電壓關(guān)閉時(shí)，DE 的變形率減少，結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)彎曲，三指彎曲夾住物體，實(shí)現(xiàn)抓取效果。隨著不斷的研究，多段式結(jié)構(gòu)的DEMES 具有更多的自由度，可以實(shí)現(xiàn)抓取不同大小和形狀的物體。例如，Araromi等［14］提出了一種多段DEMES 的設(shè)計(jì)概念，使用多個(gè)重復(fù)的節(jié)段制備驅(qū)動(dòng)臂，隨后將4 個(gè)驅(qū)動(dòng)臂呈十字形配置，確保抓取器能夠夾持不同大小和形狀的物體［圖3（b）］。此外，Lau 等［15］設(shè)計(jì)了一種基于多段式DEMES的抓取器，每個(gè)DEA 段都位于柔性框架邊上的窗口中，DEA 初始彎曲近乎90°［圖3（c）］，從而放大了張力誘導(dǎo)的力矩，比平坦的DEA 高40 倍，結(jié)果顯示其可以抓取自身質(zhì)量8～9倍的物體。

然而，由于DEA的柔軟性，存在有效載荷容量低的問(wèn)題。為了克服這一問(wèn)題，提出了復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)提高抓握能力。例如，在DE材料中加入剛性纖維或其他智能材料，通過(guò)調(diào)整纖維的排列，柔性?shī)A持器可以產(chǎn)生包裹或彎曲動(dòng)作，以?shī)A持不同形狀的物體。Shian 等［16］在DE 中加入少量的剛性纖維來(lái)引導(dǎo)DE 的彎曲方向，并且在變形中充當(dāng)幾何鉸鏈，實(shí)現(xiàn)更多的抓取動(dòng)作和角度［圖3（d）］。Shintake 等［17］設(shè)計(jì)了一種剛度可變的柔性抓取器［圖3（e）］。該裝置是將低熔點(diǎn)合金（LMPA）嵌入至DEA，通過(guò)焦耳加熱將LMPA 從剛性狀態(tài)切換成柔性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)剛度可控，最大驅(qū)動(dòng)角度可達(dá)23.7°。Aksoy 等［18］將DEA 與形狀記憶聚合物（SMPs）纖維和可拉伸加熱器排列組合而成［圖3（f）］。通過(guò)選擇性焦耳加熱可以改變SMPs纖維的局部硬度，DEA可以沿著軟軸彎曲，實(shí)現(xiàn)抓取器變形多樣化。這種可變剛度的特性將進(jìn)一步擴(kuò)展柔性抓取器的適用性。

圖3 基于DEA的柔性抓取器［13-20］Fig.3 DEA-based flexible grippers［13-20］

除了上述直接由DEA 制成的柔性抓取器外，研究人員還結(jié)合其他技術(shù)制造了DEA 驅(qū)動(dòng)的柔性抓取器，受到氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器大變形和高輸出力的啟發(fā)，也被廣泛應(yīng)用于柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)。Zhang 等［19］制備了一種基于DEA 的柔性液壓抓取器。球狀的DEA 被用作液壓源，夾手最大彎曲角度可達(dá)到23°，為水下抓取作業(yè)提供參考［圖3（g）］。Cao 等［20］提出了一種由DEA 驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)泵，并將該氣動(dòng)泵成功地應(yīng)用到柔性抓取器中，可抓取質(zhì)量為68 g的物體［圖3（h）］。技術(shù)結(jié)合的方式也將為柔性抓取器提供更多的機(jī)會(huì)。

2.2 爬行/行走機(jī)器人

基于DEA 的機(jī)器人具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和較快的響應(yīng)速度，并且可以實(shí)現(xiàn)多樣化的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而適應(yīng)不同的地形和環(huán)境，可以在危險(xiǎn)環(huán)境、探測(cè)任務(wù)和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在早期研究過(guò)程中，通常是將DEA 設(shè)計(jì)成足的形狀，提出了基于DEA的仿生足機(jī)器人。例如，Pei等［21］開發(fā)了一種基于卷軸型DEA的六足行走機(jī)器人［圖4（a）］，卷軸型DEA 結(jié)合了承重、驅(qū)動(dòng)和傳感功能，不僅保留了線性驅(qū)動(dòng)功能，還增加了彎曲功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該行走機(jī)器人可以達(dá)到每秒2/3 自身長(zhǎng)度的最大移動(dòng)速度。Nguyen 等［22］提出了另一種多自由度DEA 驅(qū)動(dòng)的六足行走機(jī)器人［圖4（b）］，利用3 個(gè)自由度的DEA模擬腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，在2 Hz的情況下，成功實(shí)現(xiàn)3 cm/s的平均行走速度。

圖4 基于DEA的爬行/行走機(jī)器人［21-27］Fig.4 DEA-based crawling/walking robots［21-27］

與仿生足機(jī)器人不同，另一種是受自然生物運(yùn)動(dòng)啟發(fā)的爬行機(jī)器人，如尺蠖、毛毛蟲和蛇等。Shian等［23］受到尺蠖運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，開發(fā)了一種柔性爬行機(jī)器人［圖4（c）］。通過(guò)在DEA 中加入排列整齊的剛性纖維，在未通電時(shí)，呈平鋪狀態(tài)，施加電壓后，逐漸呈二維隆起趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)類似尺蠖爬行的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，Li等［24］模仿昆蟲開發(fā)了一款基于DEA 的柔性爬行機(jī)器人［圖4（d）］。圖案化的電極被涂在多層DE 膜上，形成各種獨(dú)立的激活區(qū)域，通過(guò)在這些區(qū)域施加電壓，可以實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)和可控的轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)器人每秒移動(dòng)距離大約是其自身長(zhǎng)度的4 倍，并且可以在30°的斜坡上負(fù)載爬行。Hu 等［25］開發(fā)了一種多模式運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人［圖4（e）］，以DEA 為機(jī)器人主體，復(fù)制尺蠖的爬行形狀。該機(jī)器人可以完成水平爬行、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和帶重物的快速運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，受到毛毛蟲的啟發(fā)，Guo 等［26］設(shè)計(jì)的柔性爬行機(jī)器人是將2 個(gè)自由度的DEA作為主體，柔性聚氨酯纖維用作細(xì)足［圖4（f）］，在0.8 Hz 的條件下，爬行速度為2.38 mm/s，彎曲速度為1.1°/s，同時(shí)可以攜帶一個(gè)微型攝像機(jī)在水平隧道中行走。除水平爬行的柔性機(jī)器人外，還有垂直方向的爬墻機(jī)器人。例如，Gu 等［27］提出了集成DEA 和2 個(gè)用于控制黏附的電動(dòng)腳的柔性爬墻機(jī)器人［圖4（g）］。其特點(diǎn)是可在多種垂直墻面（由木頭、紙和玻璃制成）上攀爬，并且可以攜帶有效載荷進(jìn)行多模式運(yùn)動(dòng)。

2.3 跳躍/飛行機(jī)器人

在崎嶇和任意地形中，跳躍也是一種非常有效的運(yùn)動(dòng)方式。早在2004 年，有研究人員就開始設(shè)計(jì)開發(fā)跳躍機(jī)器人，Pei 等［28］利用扁平結(jié)構(gòu)的DEA 開發(fā)了一種跳躍機(jī)器人［圖5（a）］，跳躍高度可達(dá)2 cm，大約是其自身長(zhǎng)度的1.33 倍。Dubowsky 等［29］設(shè)計(jì)了一款基于DEA 的微型球狀機(jī)器人［圖5（b）］，圓錐形DEA 將能量注入到一對(duì)動(dòng)力彈簧，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，儲(chǔ)存的機(jī)械能被釋放，微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跳躍。該機(jī)器人在實(shí)際救援場(chǎng)景中表現(xiàn)出了優(yōu)異的跳躍和滾動(dòng)的適應(yīng)能力，證明了該微型機(jī)器人在粗糙地形中運(yùn)用的可行性。Duduta 等［30］將預(yù)拉伸的DEA 和硬條制備成柔性跳躍機(jī)器人［圖5（c）］，利用彎曲轉(zhuǎn)化為跳躍，平面和彎曲狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為22 ms，高度能達(dá)到5 cm。Luo等［31］利用多層堆疊形式，提升DEA 的輸出力，提高機(jī)器人的跳躍能力，跳躍高度達(dá)到45 mm［圖5（d）］。

圖5 基于DEA的跳躍/飛行機(jī)器人［28-35］Fig.5 DEA-based jumping/flying robots［28-35］

早期，基于仿生撲動(dòng)的DEA 被應(yīng)用于微型飛行器的探索。例如，Jordi 等［32］將DEA 應(yīng)用于一架8 m 模型的飛艇［圖5（e）］，翅片和尾鰭均采用DEA 驅(qū)動(dòng)，翅片與機(jī)體相連的部分由三維框架的碳棒組成，通過(guò)電壓控制DEA 驅(qū)動(dòng)使飛艇在空中實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。Zhao 等［33］提出了一種DEA 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的飛行樣機(jī)，整個(gè)關(guān)節(jié)采用DEMES 進(jìn)行高效設(shè)計(jì)［圖5（f）］。這種旋轉(zhuǎn)接頭具有較高的扭矩比和較大的高頻角位移，每個(gè)接頭都能實(shí)現(xiàn)60°以上的彎曲變形。近期，Chen 等［34］受到飛蟲的啟發(fā)，利用多層DEA 制備了一種可以真正飛行的微型機(jī)器人［圖5（g）］。該飛行機(jī)器人具有空中自我感知和抗撞擊能力，可以進(jìn)行上升下降和懸停飛行等飛行姿態(tài)。隨后，Chen等［35］繼續(xù)對(duì)DEA的驅(qū)動(dòng)電壓和電極材料進(jìn)行了優(yōu)化，將優(yōu)化后的DEA 集成到飛行機(jī)器人中，提升了該飛行器的飛行能力，如懸停（20 s）、高速（70 cm/s）、碰撞和空翻，姿態(tài)誤差小于2°。

2.4 水下機(jī)器人

基于DEA 的水下機(jī)器人具有許多潛在的應(yīng)用，如水下勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和救援任務(wù)等。由于DEA 具有低功率、高效率和可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)將成為未來(lái)水下機(jī)器人主要的驅(qū)動(dòng)方式之一。

早期，Godaba 等［36］開發(fā)了一種類似水母的機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)可控的推力和浮力［圖6（a）］。該機(jī)器人內(nèi)部的空氣室由DE膜覆蓋，當(dāng)施加電壓時(shí)，薄膜膨脹，空氣體積增加，在此過(guò)程中水從機(jī)器人身體中噴出，這可以引起推力，并作用在機(jī)器人上而使得浮力增加，機(jī)器人向上移動(dòng)；當(dāng)電壓關(guān)閉時(shí)，機(jī)器人又會(huì)在水中下沉。與此同時(shí)，仿生機(jī)器魚因其低噪音、低阻力、高靈活性和高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于各種水下探測(cè)活動(dòng)中。例如，Shintake 等［37］利用DEA 制備了一種仿魚機(jī)器人［圖6（b）］，在周期性的驅(qū)動(dòng)電壓下，仿魚機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)8 mm/s。Jiao等［38］也提出了一種基于DEA 的仿生機(jī)器魚［圖6（c）］，模擬魚類運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉的交替收縮，結(jié)合DEA 類似于人工肌肉的特性，形成了DEA 尾鰭，最大速度能達(dá)到22.7 mm/s。此外，Tang 等［39］受到青蛙的啟發(fā)，將運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為推進(jìn)階段、滑翔階段和回收階段，利用DEA 使機(jī)器人腿的蹬踏和蹼足的面積變化同時(shí)實(shí)現(xiàn)，平均游泳速度達(dá)到19 mm/s［圖6（d）］。

圖6 基于DEA的水下機(jī)器人［36-41］Fig.6 DEA-based underwater robots［36-41］

在最近的研究中，研究者們逐漸向深海領(lǐng)域研究，開發(fā)了不同種類的深海機(jī)器人。例如，Li 等［40］研制了一種用于深海探測(cè)的無(wú)繩水下柔性機(jī)器人［圖6（e）］。通過(guò)將電子器件集成在一個(gè)DE 基質(zhì)中，使機(jī)載電源、控制和驅(qū)動(dòng)裝置免受壓力。該機(jī)器人在馬里亞納海溝的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中成功地被驅(qū)動(dòng)到10 900 m 深處。同時(shí)，在中國(guó)南海3 224 m 深度以51.9 mm/s 的速度自由游動(dòng)。Picardi 等［41］利用DEA 開發(fā)了一種仿生水下足式機(jī)器人［圖6（f）］，該機(jī)器人能在0.5～12 m 深度范圍內(nèi)的真實(shí)海面下進(jìn)行作業(yè)，可以穿越不規(guī)則的地形和環(huán)境，安全準(zhǔn)確地接近目標(biāo)，并且可以無(wú)聲地保持位置。

2.5 仿人機(jī)器人

由于DEA 具有與天然肌肉相似的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、能量密度和響應(yīng)能力，因此，仿人機(jī)器人已成為一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域。仿人機(jī)器人更接近人類的外貌、運(yùn)動(dòng)和感知能力，可以執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的任務(wù)，也可以用于在危險(xiǎn)的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

早期，Kovacs 等［42］利用DEA 研制了扳手腕機(jī)器人［圖7（a）］。將250 多個(gè)彈簧卷軸型DEA 分為2 組，計(jì)算機(jī)控制高電壓放大器，電氣方式激活和停用DEA，模擬人類的主動(dòng)肌和拮抗肌，實(shí)現(xiàn)類似于手臂的雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以輸出與人類手臂相當(dāng)?shù)牧α?，顯示了DEA 應(yīng)用于仿人手臂的巨大潛力。后來(lái)，Lu等［43］開發(fā)了基于線性DEA 的仿生人工手臂［圖7（b）］，通過(guò)在DE 膜中加入適量的剛性纖維來(lái)承受較大的水平預(yù)拉伸，實(shí)現(xiàn)高達(dá)142 %的線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，并在DEA 的驅(qū)動(dòng)下，前臂相對(duì)于上臂可以旋轉(zhuǎn)70°。Duduta 等［44］制備了一種由堆疊DEA 驅(qū)動(dòng)的人工手臂［圖7（c）］，該DEA 由DE 材料和碳納米管電極構(gòu)成，并通過(guò)優(yōu)化電極的組成和多層加工技術(shù)，制備成能夠維持高的應(yīng)用電場(chǎng)。結(jié)果顯示，能量密度為19.8 J/kg，接近天然肌肉的能量密度（0.4～40 J/kg），可以承受1 kg 載荷實(shí)現(xiàn)8 mm的位移收縮。

圖7 基于DEA的仿人機(jī)器人［42-47］Fig.7 DEA-based humanoid robots［42-47］

除了人工手臂之外，研究人員在模擬人類面部表情方面也做了一些努力。例如，Carpi 等［45］提出了一種基于DEA 的單自由度機(jī)構(gòu)，用來(lái)模仿眼球外側(cè)和內(nèi)側(cè)肌肉（［圖7（d）］，并且能提供雙向旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到25°。此外，Wang［46］利用2 個(gè)DEA 連接上下頜［圖7（e）］，整體采用前饋控制，很好地模擬了人類的咀嚼運(yùn)動(dòng)。而在最近，Li 等［47］用3 個(gè)卷軸型DEA 模擬了3 對(duì)眼部肌肉［圖7（f）］。實(shí)現(xiàn)水平、垂直和圓弧運(yùn)動(dòng)，并且將3 個(gè)DEA 組合在一起，可以有效地跟蹤所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，為開發(fā)仿人機(jī)器人作出貢獻(xiàn)。

2.6 可穿戴機(jī)器人

可穿戴機(jī)器人不僅是柔性機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究課題，其中，基于DEA 的觸覺(jué)顯示已經(jīng)研究多年。早期，Lee 等［48］提出一種帶有DEA 的多陣列觸覺(jué)顯示裝置［圖8（a）］。采用液體耦合作為觸摸點(diǎn)進(jìn)行力的傳遞，確保人體皮膚接觸時(shí)的舒適性和安全性。Marette等［49］設(shè)計(jì)了一種柔性觸覺(jué)顯示器，將柔性晶體管（HVTFTs）與DEAs 集成在一起，形成了16 個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器的柔性陣列［圖8（b）］。在低電壓下實(shí)現(xiàn)DEA 的開關(guān)，HVTFT 能夠滿足復(fù)雜的柔性系統(tǒng)需求，可用于觸覺(jué)、盲文顯示和柔性機(jī)器人技術(shù)。Mun 等［50］利用多層DEA 和銀納米線柔性電極制備了一種手套式觸覺(jué)顯示裝置［圖8（c）］。當(dāng)皮膚接觸時(shí)，DEA 產(chǎn)生較大的垂直變形，引起用戶可感知的觸覺(jué)輸出。Yun 等［51］開發(fā)了一個(gè)柔性透明的視覺(jué)觸覺(jué)裝置［圖8（d）］，它可與柔性設(shè)備和可穿戴設(shè)備相兼容。該裝置通過(guò)光刻技術(shù)將觸覺(jué)感應(yīng)層堆疊在視覺(jué)成像層上，獲得輕薄和高透明度的特點(diǎn)，而微型DEA 表現(xiàn)出快速響應(yīng)和優(yōu)異的耐用性，使裝置可以緊密貼合人體皮膚的同時(shí)展示具有視覺(jué)信息的可編程觸覺(jué)響應(yīng)。同時(shí)，Ji 等［52］通過(guò)DEA設(shè)計(jì)了一款可以直接貼附在皮膚上的18 μm 超薄柔性觸覺(jué)顯示裝置［圖8（e）］，可以從1 Hz 到500 Hz 頻率下產(chǎn)生豐富的振動(dòng)觸覺(jué)反饋，用戶能夠用指尖正確識(shí)別不同的字樣，成功率從73 %～97 %不等。此外，Zhao等［53］提出了一種由DEA 陣列組成的可穿戴通信設(shè)備［圖8（f）］。通過(guò)將DEA 集成到護(hù)臂中，在控制命令發(fā)送到DEA 后，根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)序列使皮膚變形，最后通過(guò)觸覺(jué)刺激將信息傳遞給佩戴者。

圖8 基于DEA的可穿戴機(jī)器人［48-53］Fig.8 DEA-based wearable robots［48-53］

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了DEA的材料種類和構(gòu)型，然后對(duì)DEA在柔性機(jī)器人中的各種應(yīng)用進(jìn)行了分類和討論，包括抓取、行走/爬行機(jī)器人、跳躍/飛行機(jī)器人、水下機(jī)器人、仿人機(jī)器人和可穿戴機(jī)器人。總的來(lái)說(shuō)，DEA 驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器人領(lǐng)域目前仍處于快速發(fā)展階段，研究人員和機(jī)構(gòu)進(jìn)行不斷的嘗試和研究，使DEA 驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器人更加靈活、自由，在不同的領(lǐng)域得到更廣闊的應(yīng)用前景。

然而，DEA 仍然存在許多挑戰(zhàn)，在柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用也存在一些障礙。在材料方面，丙烯酸酯DE被用于大位移需求的應(yīng)用，硅橡膠被用于溫度范圍更寬操作頻率更高的設(shè)備。然而，設(shè)計(jì)一種能夠在高操作頻率（約100 Hz）下還能保持大而穩(wěn)定的應(yīng)變（＞100 %）的DE材料依然具有挑戰(zhàn)性。因此，合成同時(shí)具備高應(yīng)變和高頻率的DE 材料可以顯著擴(kuò)大DEA 的應(yīng)用范圍。對(duì)于柔性抓取器，要求其具有更大的輸出力，能抓住更大、更重的物體。上述研究表明，多層DEA 抓取器可以解決這個(gè)問(wèn)題，但通過(guò)增加層數(shù)來(lái)提高輸出力還不明顯，制造和維修成本也較高。因此，我們還要繼續(xù)努力，尋找更多方法為柔性抓取器提供更好的性能。對(duì)于地面、飛行和水下機(jī)器人，通常根據(jù)移動(dòng)速度和轉(zhuǎn)彎能力來(lái)評(píng)估柔性機(jī)器人的能力，然而，使用柔性機(jī)器人執(zhí)行困難任務(wù)時(shí)，穩(wěn)定性遠(yuǎn)比速度更重要。其中，柔性機(jī)器人的穩(wěn)定性與其負(fù)載能力有關(guān)。盡管DEA 具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，但這也表明其負(fù)載能力有限，穩(wěn)定性有待提高。在這種情況下，在未來(lái)的研究中仍需更多的工作來(lái)提高穩(wěn)定性和耐用性，真正發(fā)揮DEA 在柔性機(jī)器人上的優(yōu)勢(shì)，將DEA 的應(yīng)用領(lǐng)域在生產(chǎn)和日常生活中不斷擴(kuò)大，然后在不久的未來(lái)將柔性機(jī)器人帶到人類的日常生活中。