真空间隙静电多层致动器：面向空间机器人的高性能驱动新策略

《Nature Communications》：Vacuum-gap electrostatic multilayer actuators for space robotics

本文报道了一种创新性的静电驱动技术，将太空真空环境从传统驱动技术的限制因素转化为功能优势。研究人员针对空间机器人中电磁致动器存在的热管理难题、润滑限制及功率密度不足等问题，开展了真空间隙静电多层致动器（V-EMS）研究。通过采用聚酰亚胺等航天级聚合物材料构建多层薄膜结构，利用真空的高介电强度特性，实现了毫米级行程、超过4 N的输出力、>100 Hz的工作带宽及1.4 kW kg-1的峰值功率质量比。该技术为空间机器人提供了高功率密度、低热耗散的紧凑型驱动解决方案，对下一代空间探测任务具有重要应用价值。

　　

在遥远的太空探索中，机器人需要完成一系列精细操作——从展开太阳能帆板到采集岩石样本。然而，传统电磁电机在真空环境中面临严峻挑战：缺乏空气对流导致散热困难，润滑剂在极端温度下易失效，传动机构更增加了系统的质量和复杂度。更棘手的是，随着航天器小型化趋势的加速，传统驱动技术在厘米级尺度下效率骤减。面对这些难题，科学家们开始将目光投向一种看似违背直觉的解决方案：利用太空的真空环境本身作为驱动媒介。

近日发表于《Nature Communications》的研究报道了一类革命性的静电致动器——真空间隙静电多层致动器（Vacuum-gap Electrostatic Multilayer Actuators, V-EMS）。该技术巧妙地将真空的高介电强度特性转化为驱动优势，通过特殊设计的聚合物薄膜结构实现了高性能的线性运动。研究团队由意大利圣安娜高等学院的Ion-Dan Sirbu等人领导，他们开发的致动器重量仅0.7克，却能产生超过4.25牛的力，相当于举起自身重量600倍的物体，同时具备毫米级行程、超过100赫兹的响应速度和1.4千瓦/千克的峰值功率密度。

为验证这一创新概念，研究团队设计了基于静电波纹管肌肉（Electrostatic Bellow Muscle, EBM）原理的真空间隙致动器（V-EBM）。其核心结构由两层聚酰亚胺（PI）薄膜组成，外层覆盖柔性电极，中间保持真空间隙。当施加高电压时，电极间的库仑吸引力使薄膜产生拉链式闭合运动，从而实现收缩致动。与需要介电流体的传统静电致动器不同，V-EBM完全利用真空作为介电层，消除了液体密封和空化问题。

关键技术方法包括：采用真空兼容的聚酰亚胺/玻璃纤维复合材料框架和高温粘合剂构建致动单元；通过金属溅射制备微米级铜电极；利用派瑞林（Parylene C）涂层进行真空电弧防护；在10^-5-10^-6毫巴真空环境中进行性能表征；使用红外热成像技术监测热行为；开发柔性夹持器演示系统验证空间应用可行性。

表征结果

在5×10^-5至10^-6毫巴的极高真空环境中，研究人员对致动器进行了系统测试。三单元堆叠的初步原型在6千伏电压下产生近4牛阻塞力，最大行程达3.6毫米（对应50%收缩率）。优化后的单单元致动器质量仅0.7克，却实现超过4.25牛输出力和40%收缩率，功率密度达1.4千瓦/千克。

频率响应

该致动器展现出0.1-100赫兹的宽频工作能力，在100赫兹时仍保持近1毫米行程。峰值线性速度达670毫米/秒，对应25,000%/秒的收缩速率，远超压电致动器性能。

热管理特性

真空环境下的热测试显示，即使在最严苛的100赫兹、5千伏工况下持续600秒，温度仅上升7.5°C。这种微小的温升源于聚酰亚胺的低电导率（约10^-15S/m）带来的极小泄漏电流，解决了太空环境中散热难题。

应用演示

研究团队开发了由三单元V-EBM驱动的柔性夹持器，在真空环境中成功抓取8.6克岩石样本和3.6克铝制零件，模拟了空间样本采集任务。夹持器通过柔性机构将致动器行程放大6倍，展示了该技术与空间机构的兼容性。

研究结论表明，V-EMS技术通过将真空环境转化为功能优势，实现了空间驱动技术的突破性进展。与需要复杂热管理系统的电磁电机相比，该技术具备本质上的真空兼容性；与介电弹性体致动器（DEA）相比，可采用多种航天级聚合物材料，显著提高了可靠性。尽管仍需进行完整的空间适应性验证，但这项研究为小型航天器的紧凑型驱动系统提供了新思路，未来可能应用于在轨服务、科学仪器调整和星球表面探测机器人等领域，推动空间机器人技术向更轻量化、高效化方向发展。