编辑推荐：
在机器人领域，软机器人虽有优势，但软致动器固有柔顺性限制了力传输和动态响应。研究人员开展 “整体式静电致动器独立刚度调制” 研究，研发出电强化带状致动器（ESRA），其性能优异，在多领域有应用潜力，推动了软机器人发展。
在科技飞速发展的当下，机器人的身影已逐渐融入人们生活的各个角落。传统刚性机器人在结构化环境中表现出色，但在复杂多变、充满不确定性的动态环境里，就显得力不从心。于是，受生物肌肉强大适应性启发的柔性材料机器人应运而生。这类机器人凭借柔软的 “身体”，能够轻松适应各种不规则的环境，与人类的互动也更加安全、自然。然而，就像任何新技术在发展过程中都会遇到挑战一样，软机器人也面临着一些棘手的问题。
软机器人的核心部件 —— 软致动器，虽然赋予了机器人柔性和适应性，但它的固有柔顺性却成为了限制其进一步发展的瓶颈。这一特性使得软致动器在力传输方面大打折扣，无法高效地将动力传递出去，就好比一个运动员，尽管有灵活的身手，但力量却不足，难以在比赛中发挥出最佳水平。同时，在面对快速变化的外部环境时，软致动器的动态响应也显得迟缓，不能及时做出精准的动作调整。
反观生物肌肉，它具有令人惊叹的能力，能够根据不同的运动需求，自如地调节自身的刚度和阻尼，改变粘弹性，进而优化力量输出。例如，章鱼在捕食时，其灵活的触须可以局部变硬，精准地抓取猎物；人类在跑步时，腿部肌肉会不断调整刚度，稳定步伐，提高运动效率。这些生物界的奇妙现象，为科学家们提供了灵感：能否让软机器人也拥有类似生物肌肉的 “超能力” 呢？
为了解决这一难题，来自伦敦帝国理工学院（Department of Bioengineering, Imperial College London）的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了关于 “整体式静电致动器独立刚度调制” 的研究，致力于研发一种全新的致动器，使其能够像生物肌肉一样，实现可变刚度和强大的功能。经过不懈努力，他们成功研制出了电强化带状致动器（Electro - Stiffened Ribbon Actuator，ESRA），并将这一重要成果发表在了《Nature Communications》上。这一突破，为软机器人领域注入了新的活力，开启了软机器人发展的新篇章。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在建模方面，他们突破传统，开发了全新的模型。通过考虑介电材料的介电弛豫特性，构建了能反映电场随时间变化的电学模型；同时，基于先前的研究框架建立了机械梁模型，并将两者巧妙耦合，形成了综合预测框架，以此来深入探究刚度变化对致动性能的影响。在实验过程中，他们对 ESRA 进行了全面的表征测试。利用激光位移传感器精确测量位移，使用负载细胞量化力，还通过改变电压等参数，详细研究了 ESRA 在不同条件下的性能表现。另外，在构建相关系统时，他们将 ESRA 与电丝带致动器（ERA）等进行组合连接，模拟人体肌肉 - 肌腱系统，研究其在不同连接方式下的功能特性 。
工作原理（Working principle of ESRA）
ESRA 的设计巧妙地借鉴了生物肌肉的工作原理。生物肌肉在收缩时如同单向发动机，而在伸展时又能充当可控的可变电阻。ESRA 则通过介电泳液体拉链概念（dielectrophoretic liquid zipping concept）来实现致动。当两个带相反电荷的电极产生强电场时，就像拉链一样，电极之间的间隙会在静电引力作用下逐渐闭合。在这个过程中，液态电介质（如硅油）被放置在拉链点，因其较高的介电常数和击穿强度，大大增强了静电引力。同时，ESRA 引入了电流变液（ERF）来实现刚度调节。ERF 是一种由可极化颗粒悬浮在介电液体介质中的胶体悬浮液，当施加电场时，颗粒迅速极化形成链状结构，使材料宏观上表现得更像固体，从而实现快速（<10 ms）的刚度和阻尼调整 。
建模（Modelling）
为深入了解 ESRA 的性能，研究人员建立并验证了一个模型。该模型将致动器的运动分为被动和主动两种模式。在被动模式下，致动器的收缩仅由机械弹力驱动；而在主动模式下，收缩则是机械弹力和静电力共同作用的结果。通过模型分析发现，电极的弯曲刚度在被动和主动状态下都会对力产生调制作用。例如，在被动状态下，当EI/w值从 0.002 Nm 增加到 0.008 Nm 时，收缩弹力会增加四倍；在主动状态下，施加 10 kV 电压时，主动状态的力会增大到被动状态的六倍，进一步增加刚度，力还能提升 1.5 倍。此外，模型还揭示了致动器在不同有效弯曲刚度下的力 - 延伸特性，以及最大驱动延伸等关键信息 。
ERF 梁的表征（Characterization of the ERF beam）
研究人员对 ERF 梁在不同加载条件和刚度电压下的可变刚度特性进行了研究。与以往关注小挠度下的特性不同，此次重点探究了大变形情况下的性能。研究发现，电极厚度、ERF 层厚度和梁长度都会对 ERF 梁的刚度产生影响。增加电极厚度会提高弯曲刚度，而在相同刚度电压下，较薄的电极会产生更大的挠度，随着电压升高，梁的挠度会减小。ERF 层厚度增加，梁的位移会减小、刚度增大，但过大的厚度会降低刚度变化能力。梁长度增加时，变形和刚度都会增加，但长梁的刚度变化相对较小，这表明在基于 ERF 梁的致动器设计中存在变形范围和刚度变化之间的权衡 。
ESRA 的表征（Characterization of ESRA）
研究人员对 ESRA 进行了等长和等张特性测试。在等张测试中，ESRA 就像一个主动拉伸弹簧，负载越大，初始延伸越大，而施加刚度电压会减小致动行程和时间。在等长测试中，当零驱动电压时，致动器的收缩力随延伸增加，刚度电压的增加会显著提高收缩力；施加 7 kV 驱动电压时，收缩力会因电极间的静电引力而大幅增强，且通过同时调节驱动和刚度电压，能够动态调制收缩力。动态测试表明，ESRA 在刚度和阻尼方面表现出色，施加刚度电压能有效抑制振荡，提高定位精度，在不同刚度电压下，结构的阻尼和刚度调节特性也有所不同 。
类肌肉功能（Muscle - like functions）
ESRA 在控制系统刚度和阻尼方面表现优异。在一个由 ESRA 支撑的基本机器人手臂实验中，当手臂受到初始位移或外部物体撞击时，施加 7 kV 刚度电压可以显著改变手臂的阻尼和刚度，提高自然频率，减小峰值振幅，缩短振荡时间。在主动状态下，ESRA 也能有效衰减外部冲击引起的位移响应。此外，ESRA 在假肢和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。通过一个单自由度（1 - DOF）的肌肉骨骼模型展示了 ESRA 的三种操作模式：标准驱动、刚度增强驱动和阻力增强。在不同模式下，ESRA 展现出了强大的功能，如在刚度增强驱动模式下能够提升有效载荷能力 。
具有可调刚度和阻尼的双驱动系统（Dual actuation systems with adjustable stiffness and damping）
研究人员构建了类似人体手臂 agonist - antagonist 肌肉系统的一维驱动系统，以及模拟肌肉 - 肌腱系统的串联 ESRA 系统。在一维驱动系统中，ESRA 和 ERA 协同工作，ESRA 可以通过不同的电压调节模式实现多种功能，如低刚度电压增强阻尼、高刚度电压同时增加刚度和阻尼等。通过频率响应分析发现，不同的电压调节模式会导致系统在刚度和阻尼方面呈现不同的变化。在串联 ESRA 系统中，通过独立调节上下两个 ESRA 的刚度电压，可以实现多种刚度和阻尼的组合，总变化分别可达 2.2 倍和 2.6 倍 。
研究表明，ESRA 成功地将轻质可变刚度技术集成到静电致动器中，在被动和主动模式下都展现出了可变的粘弹性。它实现了约 8 倍的刚度提升和约 3 倍的阻尼增加，调制刚度和驱动电压能够显著扩大力输出范围，被动力增加 2.5 倍，主动力范围增加 1.5 倍 。ESRA 在可变刚度和阻尼方面的性能可与先进技术相媲美，同时还保留了轻质设计和超高变形等优势。与其他可变刚度机制相比，它具有更高的功率效率和更快的响应时间。
在应用方面，ESRA 的特性使其适用于多种领域。在可穿戴辅助技术中，它的灵活性、静音运行、轻质设计和可变刚度特性，使其能够为用户提供更好的体验；在机器人领域，可变刚度特性可以增强机器人与环境的适应性，提高承载能力和操作效率；在康复设备中，可调节的阻力特性有助于患者进行有效的力量训练 。此外，多个 ESRA 连接可以创造出不同的肌肉结构，实现更多样化的功能。
总体而言，ESRA 在多个方面模仿了生物肌肉的功能，为开发顺应性仿生机器人奠定了坚实的基础，有望推动机器人技术向更加智能化、人性化的方向发展，在未来的科技领域中发挥重要作用 。
