Science子刊：浙大开发一体化柔性执行器，以白细胞为灵感突破常规设计！

仿生学又出黑科技了？

近年来，随着仿生学的大热，各种仿生机器人的新闻层出不穷。仿生软体机器人的出现彻底改变了人机交互，它们本身小巧、柔软又灵活、能够适应复杂的环境，但为了控制与驱动，要连接泵、阀、管路、执行元件等，让本来柔软灵巧的机器人背负了不少负担，开发强大、快速、可控、安全和便携的高性能软体执行器仍然存在挑战。

最近，浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室在国际知名期刊Science Advances中发表了最新研究成果“Self-contained soft electrofluidic actuators”（独立的软电流执行器），该研究打破了仿生机器人的常规，创新地将驱动装置布置在一个封闭型的柔性腔的内外侧，实现了驱动执行的一体化，极大地改善了软体机器人的输出性能。

该研究获得国家自然科学基金重大项目“智能电静液驱动执行器基础研究”经费支持。论文全部作者均出自杨华勇院士团队，博士研究生唐威为论文第一作者，张超副研究员和邹俊教授为论文通讯作者。

▍白细胞为灵感来源

说到仿生的灵感来源，大家可能会想到仿象鼻、仿毛毛虫等生物。

浙大的这款软体执行器（SEFA）的设计灵感别出心裁，来源于人体最重要的细胞之一——白细胞。

白细胞可以通过体液的流动来驱动细胞膜的变形，那软体执行器是不是也可以利用某种方式，驱动柔性腔内的液体按一定方向流动，从而改变软体执行器的形状呢？

答案是肯定的，浙江大学的研究人员利用这种简单的原理制作了两种SEFA执行器；

第一种执行器在水中使用，由柔性外壳，介电液体和柱状正电极组成，水可以作为接地电极。当向电极施加电压时，正负电极间非均匀电场使液体分子流动起来，使水中SEFA保持在致动状态。

第二种则在空气中使用，将黑炭膏涂在执行器表面作为接地电极，柱状正电极与外界接地电极形成的电极对结构，构建了一个平面型的柔性电液泵，当通电时，介电液向下流动，引发了执行器的伸长变形。

这整个过程高效且功率低，只要有外加电场存在，执行器就会一直保持制动状态，施加的电压越高，致动速度与强度就越大；同时，为了提高柔性执行器的变形能力，研究人员还在在介电液体中溶入水凝胶，可以提高液体的介电流动能力。

（不同电压下的驱动性能）

不仅如此，这种变形运动是可以灵活改变的，通过调配SEFA执行器柔性外壳的刚度即可实现，例如：换一种硬度更大的柔性外壳，SEFA执行器就可以实现弯曲运动，

SEFA执行器的响应速度很快，在负载300g时，响应频率可到10Hz，弯曲型柔性电液执行器在水中的响应频率可到30Hz。

▍人工肌肉和机器鱼

SEFA执行器看着小小一个，但团结起来力量还是很强的。

几个执行器的串并联结合可以看作是一个人工肌肉系统，串联可以增加移动位移、并联可以增大输出力。

(串联)

(并联)

研究人员用几个执行器串并联起来制成了人工肌肉系统，可以拉动500g的砝码，拉伸性能也很好，位移曲线也说明了SEFA执行器可实现快速的驱动，同时具备良好的控制性能。

除此之外，研究人员还利用SEFA执行器做了一个机器鱼。

机器鱼的驱动设备全部集成在内部，没有冗余的连接管道或电子设备，快速游泳、转弯都可以自如完成：

机器鱼的两个鳍使用弯曲型的SEFA执行器制作，可以独立控制，由集成在机器鱼内部的高压功率转换器独立输出，通过低压输入转换为高压输出，两个鳍不断扇动，以一定的速度推进机器鱼游泳，游泳速度约为每秒0.13 体长。

机器鱼有两种不同的供电方式，车载电池或WiFi模块由手机控制、与车载电池相比，无线电力传输可能是未来激活微型机器人的有效方式，例如植入式医疗设备等。

▍一体化软体执行器应用广泛，前景无限

这款一体化SEFA执行器可以说是打破了目前软体执行器的常规设计，仅利用简单的原理和广泛可用的材料制成，不仅摆脱了笨重的泵、管道等设备，高度集成的电驱模块还可以实现变形的精确控制，同时小巧的外形也增加了便携性。

SEFA 执行器为开发新型高效的软体执行器提供了一个新的思路和平台，大幅度提升了软体执行器的输出性能，在下一代穿戴辅助设备和软体机器人应用中具有无限潜力。

同时，浙江大学该研究团队的邹俊教授表示：目前开发的柔性电液执行器只是初期版本，在制作方法、结构设计、介电液材料、变形运动设计等方面还有很多的可以探索的地方，例如：由高压驱动的介电液体未来可由低压或替代材料驱动的替代流体来降低工作电压；或者使用其他合适的软导电材料来避免柔性外壳的损坏刺穿等问题。

▍参考链接

https://doi.org/10.1126/sciadv.abf8080