电驱动液气相变软体执行器：突破性设计与高性能控制策略在仿生机器人中的应用

为解决传统液气相变软体执行器应变速率低、控制延迟等问题，葡萄牙研究团队开发了基于水工质的电驱动相变执行器，采用线圈型柔性加热元件实现16.6%/s的应变速率和100 kPa/s的增压速率，最大阻塞力达52N。该研究通过创新设计和工作流体选择方法，结合非线性控制策略，成功应用于仿生手和四足机器人系统，为高性能软体机器人发展提供了新范式。

　　

在软体机器人领域，如何实现高性能的电动驱动一直是制约技术发展的关键瓶颈。传统液气相变执行器虽然具有低电压操作、易集成等优势，但普遍存在应变速率低（仅1-2%/s）、控制延迟严重等问题，这导致该技术长期被静电驱动和电热驱动方法所边缘化。更棘手的是，这类执行器还存在工作流体扩散损耗、机械振动等固有缺陷，使其难以满足实际应用需求。

为突破这些限制，葡萄牙的研究团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究。他们开发出新型电驱动液气相变软体执行器，通过系统性优化设计和工作流体选择，结合先进控制策略，实现了性能数量级的提升。研究采用模块化设计思路，将柔性加热元件直接浸入水工质中，通过精确控制沸腾状态来驱动软体结构变形。

关键技术方法包括：（1）采用FeCrAl线圈加热元件和聚氨酯终端结构的模块化执行器设计；（2）基于热力学参数的四步工作流体选择方法；（3）结合ON-OFF预热和PI控制器的非线性控制策略；（4）使用Ecoflex 00-30硅胶和PET编织套的线性执行器结构；（5）基于磁跟踪和视频处理的性能表征系统。研究对象包括线性执行器和弯曲执行器两种构型，以及由它们驱动的仿生手和四足机器人系统。

设计原理方面，研究创新性地将执行器内部沸腾过程分为过冷池沸腾和饱和池沸腾两种状态。通过保持饱和沸腾状态，有效避免了气泡溃灭导致的压力冲击波和机械振动。加热元件表面热通量达到213 kW/m²时仍能稳定工作，接近临界热通量(CHF)388 kW/m²的理论极限。

工作流体选择上，研究提出了四步筛选法：首先根据操作温度（<138°C）和压力（<130 kPa）排除不适用流体；其次评估流体-材料相容性，排除氟化流体和乙醇；然后考虑安全性、毒性和可持续性；最后通过边界功系数(ω_b)比较剩余流体。水因扩散率低、安全性高成为最优选择，尽管其较高汽化焓导致性能基准相对保守。

材料硬度影响实验显示，较软的Ecoflex 00-30硅胶（肖氏00-30）表现出最佳性能，在308 kPa下实现52N阻塞力，无负载时达到16.6%/s的收缩应变率和27%最大应变。弯曲执行器则采用较硬的Smooth-Sil 940硅胶（肖氏00-80），在50kPa下实现90°弯曲。

性能极限测试中，执行器在110W电功率下达到100 kPa/s的增压速率，但冷却阶段的降压速率最高仅35.8 kPa/s，显示散热速率是主要限制因素。控制策略方面，压力反馈相比温度反馈响应更快（延迟<100ms），配合20 kPa的待机压力设置，可有效减少振动和控制延迟。

在机器人应用方面，研究展示了三个原型：（1）肌腱驱动的仿生手，抓取速度比释放快5倍；（2）能在1小时内组装的软体夹持器，可抓取60kPa压力下的多种物体；（3）四足机器人Bixo，采用四个弯曲执行器和一个直流电机，可在倾斜管道和树干上爬行，完成完整运动周期需25-80秒。

这项研究的突破性在于重新定义了液气相变执行器的性能边界，通过物理设计和控制策略的创新，解决了长期存在的应变速率和振动控制问题。其科学价值体现在：（1）建立了工作流体选择的系统方法；（2）阐明了沸腾状态与机械振动的关联机制；（3）开发了适用于高功率操作的非线性控制框架。实际应用中，模块化设计使执行器能快速集成到不同机器人系统，为医疗、探测等领域的软体机器人开发提供了新工具。特别是执行器在低电压（≤24V）下的高性能表现，使其在安全敏感场景中具有独特优势。该研究将推动液气相变技术从实验室走向实际应用，加速软体机器人的实用化进程。