浙江大学AM：连续湿纺聚丙烯酸酯介电弹性体纤维执行器，打通高性能人工肌肉可制造路径

生物启发人工肌肉已成为软机器人、柔性电子和生物医学设备中的关键驱动部件。为复现生物组织的自适应力学行为，研究者发展了流体、热、电等多种软驱动机制，其中电驱动介电弹性体执行器因电可控、响应快、变形大和机械顺应性而备受关注。典型介电弹性体执行器由介电弹性体薄膜夹在顺应电极之间，电场作用下产生的麦克斯韦应力压缩介电层，并通过机电耦合诱导面内膨胀，但平面变形难以有效耦合到三维结构或集成设备中产生有用功。介电弹性体纤维执行器以一维构型将电致径向压缩转化为轴向伸长，更接近生物肌肉纤维的收缩—松弛循环。然而，早期纤维执行器主要通过将预拉伸介电弹性体膜卷绕在圆柱弹簧上制造，存在制造复杂、结构刚度高、难以适用于微型系统等问题；后续无弹簧卷绕纤维虽免除了预拉伸，但仍依赖预涂膜，限制其尺寸并阻碍连续制造。现有连续制造路线又主要局限于硅橡胶，所得驱动应变和能量密度有限。因此，在不牺牲机电性能的前提下实现可扩展制造，仍是介电弹性体纤维执行器面临的核心瓶颈。

浙江大学石烨研究员、香港理工大学蒲俊宏助理教授合作，提出了一种将同轴湿纺与原位紫外固化集成的连续制造策略，从双模态网络聚丙烯酸酯介电弹性体制备聚丙烯酸酯基介电弹性体纤维执行器。该工艺生产速率可达22.5 mm/s，并可通过调节核—壳流速比和弹性体配方来调控纤维几何与机电性能。所得纤维执行器在无预拉伸条件下实现约39%的最大轴向应变、54.8 J/kg的最大能量密度和443 W/kg的峰值功率密度，优于此前连续制造的介电弹性体纤维执行器。长而连续的纤维结构还支持缠绕执行器和并联阵列，便于集成到多种软机器人系统中，包括机械臂、爬行机器人和具有模块化容错能力的水下仿生蝠鲼。通过协调可扩展制造与高驱动性能，PA-DEFAs为下一代人工肌肉和自适应软机器人建立了通用且制造兼容的平台。相关论文以“Polyacrylate-Based Dielectric Elastomer Fiber Actuators for High-Performance Artificial Muscles”为题，发表在Advanced Materials上。

PA-DEFAs的整体思路涵盖设计、制造和驱动性能三个层面。其仿生设计概念和驱动机制模仿生物肌肉纤维，将电致径向压缩转化为轴向伸长（图1a）；制造工艺上，研究比较了卷绕纤维与连续挤出DE纤维的路线差异（图1b），并展示了连续制造的聚丙烯酸酯基DE纤维线轴（图1c），说明该材料可摆脱传统卷绕工艺的尺寸限制。性能比较进一步显示，PA-DEFAs相较硅基DEFAs具有更突出的驱动表现（图1d）。研究选用可加工、高性能的PHDE作为介电弹性体材料，并建立同轴湿纺与原位紫外固化相结合的连续制造路线，使高性能聚丙烯酸酯从平面材料转化为可连续制造的一维执行器。

图1：PA-DEFAs的设计、制造和驱动性能总结。a 纤维人工肌肉的仿生设计概念和驱动机制。b 卷绕和连续挤出DE纤维的制造工艺比较。c 连续制造的聚丙烯酸酯基DE纤维线轴照片。d PA-DEFAs与硅基DEFAs [28–31]的驱动性能比较。

在制造、形貌和驱动性能方面，PA-DEFAs的制备过程如下：PHDE预聚物溶液作为壳层流体，75 vol%乙醇水溶液作为核层流体，通过同轴针头共挤入凝固浴，并在距离纤维2 cm的紫外灯照射下原位固化，随后由自动卷绕滚筒收集（图2a）。该工艺1 mL预聚物溶液足以制备约440 cm中空纤维（图2b），材料利用率约76%；在更大规模制造中，10 mL前驱体可产生约48 m连续中空纤维，随机取样壁厚约98 ± 5 µm，表现出稳定尺寸控制。通过改变核—壳流速比，可获得外径204至269 µm、壁厚75至111 µm的均匀中空纤维（图2c）；纤维可打结、紧密缠绕玻璃棒并盘绕在指尖而不发生结构损伤（图2d）。PHDE-7、PHDE-10和PHDE-13纤维的应力—应变曲线表明，随着PNPDA含量增加，弹性模量和拉伸强度逐步提高（图2e）。驱动测试中，PHDE-7基PA-DEFAs在无预拉伸下达到约39%最大轴向应变，PHDE-10和PHDE-13分别约为19.7%和14.7%（图2f）；对于PHDE-10，将壁厚降至75 µm可使轴向应变提高到约32%（图2g）。并联五根和十根纤维时，阻塞力分别达到约47.3和70.4 mN，显示通过纤维束集成实现力放大的能力（图2h）。在等张负载下，PA-DEFAs在3.75 kV、5 g负载时能量密度约37.6 J/kg，在7.5 g负载下最大约54.8 J/kg（图2i）；在5 Hz驱动频率下仍保持约44.3 J/kg能量密度和约443 W/kg功率密度，并可在超过100,000次连续循环中稳定驱动（图2j）。

图2：PA-DEFAs的制造、形貌表征和驱动性能。a 集成同轴湿纺和原位UV固化的连续制造过程。b 一根连续制造的长聚丙烯酸酯基DE中空纤维横跨手掌的照片。c 中空纤维横截面显微图。d 展示中空纤维在打结（i）、紧密缠绕玻璃棒（ii）、盘绕在指尖（iii）时稳健机械柔顺性的照片。e 湿纺PHDE-7、PHDE-10和PHDE-13纤维的标称应力–应变曲线。f 使用不同PHDE配方的PA-DEFAs轴向驱动应变。g 不同DE层厚度的PHDE-10基PA-DEFAs轴向驱动应变。h 不同纤维数量的PHDE-10 PA-DEFAs阻塞力。i 指定负载下测量的PA-DEFAs能量密度。j PA-DEFAs的能量和功率密度随驱动频率变化。驱动电压为3.75 kV。

长PA-DEFAs及其缠绕执行器进一步拓展了驱动输出。传统卷绕工艺制备的DEFAs通常短于20 cm，需串联多个纤维单元来增强位移和机械输出；而该研究的同轴湿纺工艺可连续制备50 cm长PA-DEFAs。长度从2至55 cm的纤维在相同负载条件下表现出几乎一致的轴向应变，直至3 kV；在更高驱动电压下，长于20 cm的纤维最大轴向应变有所降低，但仍保持12%以上（图3b）。55 cm单根PA-DEFA在断电和通电状态之间可实现约12%的轴向应变（图3a）。长纤维可进一步制成缠绕执行器，例如由20 cm长PA-DEFA构成的多层纤维束缠绕执行器（图3c），在2.5至15 g负载范围内保持稳定应变输出（图3d）。研究还构建了由30 cm长PA-DEFA纤维束驱动的3D打印机械臂：断电时纤维束维持机械臂处于90°关节角，通电后纤维束轴向伸长，关节角在0.57 s内快速扩展至103°，去除电压后肌肉重新收缩并拉回初始位置；即使附加2.3 g端部负载，缠绕纤维束仍能维持快速驱动和大变形（图3e）。

图3：长PA-DEFAs及其缠绕执行器的驱动性能。a 一根55 cm单PA-DEFA在断电（V off）和通电（V on）状态下的照片，显示约12%轴向应变。b 不同长度单PA-DEFAs的轴向应变随施加电压变化。c 由20 cm长PA-DEFA制成的缠绕执行器电极连接示意和举载照片。d 不同负载重量下缠绕执行器轴向应变随施加电压变化。e PA-DEFA基缠绕执行器驱动机械臂模型的照片，施加电压后关节角从90°变为103°。

并联连接的PA-DEFA阵列及其爬行机器人应用则体现了高密度集成潜力。PA-DEFAs可平行排列，并用PHDE喷涂粘合溶液固定，从而抑制动态驱动中的纤维间滑动并减少顺应界面能量耗散（图4a）。一个10纤维PA-DEFA阵列自重0.06 g，在2.5至45.0 g宽负载范围内保持稳定驱动应变；在45 g重载下，该负载约为10纤维束质量（约0.062 g，不含外电极和导线）的730倍，阵列仍维持约6%轴向应变，对应绝对位移1.75 mm；能量密度随负载近似线性增加。将该阵列集成到由PET骨架和各向异性摩擦脚构成的微型爬行机器人中，机器人运动由PA-DEFAs驱动与PET骨架弹性储能耦合实现：断电时阵列收缩使骨架弯曲并储存弹性能，通电时纤维轴向伸长释放弹性能，推动前脚通过各向异性摩擦前进，断电后纤维收缩带动后脚完成一个运动周期（图4c）。在玻璃基底上，3.2 kV、130 Hz条件下，无负载机器人最高速度达1.1体长/秒（0.44 cm/s）；携带0.85 g超过自身重量的负载时，仍保持0.28体长/秒的运动速度（图4d），且速度可通过驱动电压和频率调节（图4e、f），负载下最大速度对应的驱动频率因结构共振频率改变而偏移。

图4：并联PA-DEFA阵列及其爬行机器人应用。a 并联PA-DEFA阵列制造过程示意和照片。b 不同负载重量下PA-DEFA阵列轴向应变随施加电压变化。c 爬行机器人结构和运动机制示意。d 爬行机器人在无负载（上排）和0.85 g负载（下排）下的连续图像。e 无负载状态下不同驱动电压和频率下爬行机器人移动速度比较。f 0.85 g负载下不同频率爬行机器人移动速度比较。

在水下环境中，PA-DEFAs的应用得到进一步拓展。水下驱动时，周围水可作为外部地电极，从而无需固体外电极，进一步减少界面机械约束并增强驱动应变。自重0.015 g、仅配备内部水凝胶电极的单环PA-DEFA，在4.25 kV、1.5 g负载下实现约19.9%轴向应变（图5a、b）；由25 cm长纤维（0.075 g）构成的多环缠绕执行器，在5.5 g水下负载下仍保持约13.2%驱动应变（图5a、b）。研究进一步制备了由缠绕PA-DEFA纤维束驱动的仿生软体机器蝠鲼，其采用刚柔混合结构：PET片作为躯干骨架，PDMS薄膜作为胸鳍，缠绕纤维束通过3D打印卡扣连接器附着于躯干腹侧作为驱动肌肉（图5c、d）。断电时，收缩的纤维束通过卡扣关节拉动PDMS胸鳍向下，使胸鳍相对水平面形成20.1°初始上反角；施加交替驱动电压后，纤维束轴向伸长，胸鳍在PET骨架弹性恢复力作用下向上拍动，二面角减小至14.8°，周期性变形产生前向水动力推力（图5e）。在水箱测试中，3.2 kV、2 Hz条件下机器蝠鲼最大游泳速度为2.17 cm/s，对应0.43体长/秒（图5f）。得益于一维几何和连续缠绕组装，该平台还具有模块化和容错能力：若发生局部失效，35 cm长PA-DEFA可在2分钟内通过简单机械解耦无损更换，体现插拔式设计（图5g）。

图5：PA-DEFAs的水下驱动和机器人应用。a 在水下环境测试的PA-DEFAs照片，显示单环（i）和多环纤维束（ii）的断电和通电状态。b 水下单环和多环PA-DEFAs轴向应变随施加电压变化。c 软体机器蝠鲼游泳示意。d PA-DEFAs驱动软体机器蝠鲼结构插图。e 水下软体机器蝠鲼照片，显示驱动前后拍翼角变化。f 软体机器蝠鲼在3.2 kV和2 Hz驱动条件下游泳的连续图像。g 修复后的软体机器蝠鲼不同视角照片。

总结而言，该研究通过连续湿纺方法解决了介电弹性体纤维执行器长期存在的可扩展制造与高驱动性能之间的权衡。其关键在于高性能聚丙烯酸酯介电弹性体与原位紫外固化辅助同轴纺丝之间的协同，使米级纤维生产不牺牲机电输出。该工作不仅将连续制造DEFAs的材料体系从硅基系统拓展到聚丙烯酸酯体系，还识别了控制稳定聚丙烯酸酯纤维形成的耦合加工窗口，包括前驱体流变、前驱体—浴界面相互作用、密度匹配和原位光固化，从而建立了可转移的加工原则。所得PA-DEFAs兼具高无预拉伸轴向应变、高能量/功率密度，并可通过简单工艺调整实现几何和机械性能可调。更重要的是，连续纤维形式改变了DEFAs集成到软系统中的方式，使其可组装为缠绕执行器、并联阵列和模块化机器人架构，并具备容错和快速更换能力；机械臂、爬行机器人和水下蝠鲼等演示验证了从单纤维输出到系统级人工肌肉驱动的架构策略。展望未来，该制造平台有望扩展到其他弹性体化学和纤维几何结构，为设计自适应、耐用且工业可行的人工肌肉系统开辟新途径；同时，PA-DEFAs较低的实测功率需求与已有紧凑高压电子板相结合，也为将其集成到无缆机器人系统提供了技术上可行的路径。