无电机髋部外服通过高输出纤维介电弹性体致动器

《SCIENCE ADVANCES》：Motor-free hip exosuit via high-output fibrous dielectric elastomer actuators

　　

外骨骼服可以辅助步态并减轻健康人群和病理人群的疲劳，但其笨重、刚性的致动器（通常是电机或气动致动器）阻碍了自然、舒适的运动。介电弹性体致动器（Dielectric Elastomer Actuators, DEAs）提供了一种轻量化、柔顺的替代方案，但受限于力输出不足、能量输出不足以及集成挑战。在此，研究人员提出了一种由高输出纤维DEAs驱动的无电机髋部外服，为下肢辅助提供了一种以前未探索的范式。研究人员开发了高纵横比的纤维状DEAs，其具有高阻塞应力（381.6 mN·mm^-2）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg），这是通过弹性体的双极化分子设计实现的，以克服介电性能和机械性能之间的内在权衡。研究人员建立了一种乐高式集成策略，可高效捆扎纤维以实现力放大。与无辅助相比，该外服将步行代谢成本降低了13.9%，超过了大多数髋部外骨骼。这些发现推动了DEAs向实际可穿戴机器人的发展，用于现实世界的人类辅助。

**论文解读：基于高输出纤维介电弹性体致动器的无电机髋部外服**

**研究背景与问题**
软体下肢外骨骼（即外骨骼服）能够减轻步行疲劳并改善步态，适用于健康及病理人群。然而，现有外骨骼服的致动系统仍依赖笨重、刚性的电机或气动致动器，这些组件破坏了生物力学兼容性，阻碍了人机无缝集成。介电弹性体致动器（Dielectric Elastomer Actuators, DEAs）具有类肌肉的驱动特性，在软体机器人领域展现出巨大潜力，但将其应用于下肢外骨骼面临两大挑战：一是DE材料的力与能量输出不足，二是缺乏可扩展、贴合身体的集成策略。商用弹性体如丙烯酸弹性体（VHB）和硅橡胶因介电常数低，能量密度（<26 J/kg）和输出应力（<0.1 MPa）有限。聚合物网络设计的最新进展虽试图同步提高介电常数和击穿强度，但介电与机械性能间的固有权衡仍难以克服。此外，平面或卷绕结构的DEAs在输出力、尺寸和系统复杂性方面难以满足可穿戴要求。受生物肌肉分层结构的启发，开发具有高纵横比的芯纤维状DEA并实现紧凑集成，成为突破方向。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一种完全由DEA驱动的无电机软体髋部外服概念，消除了传统电机或气动系统的需求。通过双极化分子设计，在氢化丁腈橡胶（HXNBR）基体中引入极性官能团和高极性交联剂（钛2-乙基己氧化物，TOT），克服了介电与机械性能的权衡，实现了高介电常数（12.2 at 1 kHz）、高击穿强度（~70 V/μm）和低机械损耗（tan δ=0.055 at 1 Hz）的三重增强（Tri-EDE_n）。基于此薄膜，研究人员卷制了高纵横比的纤维状DEA（直径可小至0.85 mm，长度达250 mm），在1 Hz、300 g负载下实现线性应变19.3%、能量密度260 J/kg、功率密度1,664 W/kg，阻塞应力达381.6 mN·mm^-2。进一步开发了乐高式集成策略，将纤维捆绑成束，六纤维束在70 V/μm下可提升2 kg负载并产生15%应变，且经100,000次循环后性能稳定。将该致动器集成至轻量化外服（总重约1.986 kg，每侧仅含3 g致动器），在6名健康参与者（来自河北工业大学生物医学伦理委员会批准的研究）的步行测试中（4 km/h），主动辅助模式将净代谢成本较无辅助降低13.9%（p=0.0032），被动模式降低6.4%（p=0.046），效果优于多数已报道的髋部辅助外骨骼。这一研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下主要关键技术：
（1）**双极化分子设计**：选用含高密度极性基团（-CN、-COOH）的HXNBR为基质，引入高极性交联剂TOT，通过热交联形成Tri-EDE_n弹性体，同步提升介电常数、击穿强度并降低机械损耗。
（2）**纤维状DEA制备**：将带有图案化碳纳米管（CNT）电极的Tri-EDE₇薄膜（厚度~30 μm）堆叠后卷制成芯纤维状致动器，直径可调至0.85–1.95 mm，长度达250 mm。
（3）**乐高式集成策略**：通过3D打印连接模块和标准化插拔机构，将多根纤维捆绑成束，实现力与能量的线性放大。
（4）**外服构建与测试**：将6根（后扩展至10根）纤维束通过不可调弹性绑带固定于腰部和膝部，配合便携电源系统，在跑步机上对6名健康受试者进行步态辅助测试，记录代谢率和肌电图（EMG）。

**研究结果**

**聚合物设计**
研究人员选择高极性HXNBR作为基体，并引入高极性交联剂TOT，通过热处理完成交联形成Tri-EDE_n。双极化策略利用HXNBR固有的极性基团（-CN、-COOH）和交联形成的极性Ti-O键，提高介电常数；同时增强网络交联度，提升击穿强度并降低粘弹性损耗，从而克服介电与机械性能间的固有权衡，实现三重增强（高介电常数、高击穿强度、低机械损耗）。Tri-EDE_n薄膜通过磁力搅拌、球磨、刮涂和热交联制备，最大面积达75 cm×30 cm，厚度30 μm，具备大面积批量生产潜力。结构表征证实组分均匀分散和网络成功形成。

**机电性能与驱动性能**
系统评估了不同TOT含量下Tri-EDE_n薄膜的机电性能。随TOT含量增加，介电常数和击穿强度均提高（归因于极性基团和Ti-O键增强极化，以及高交联度改善均匀性并限制离子迁移）；同时弹性模量增加、机械损耗降低（归因于更致密的网络减少内摩擦）。Tri-EDE₇为最优配方：在1 kHz下介电常数12.2，击穿强度~70 V/μm，机械损耗tan δ=0.055（1 Hz），显著优于VHB和硅橡胶。其玻璃化转变温度（-12.15°C）低于VHB（5.2°C），表明低温分子运动性更好。在膜片构型中，Tri-EDE₇在70 V/μm下达到最大面应变105%（未预拉伸），达到90%最终应变仅需0.68 s，远快于VHB（125.45 s）。在单轴力驱动配置下，1 Hz时50 g负载下线性应变22.3%，能量密度131.7 J/kg，功率密度263.4 W/kg；100 g负载下线性应变20.3%，能量密度273.9 J/kg，功率密度547.9 W/kg。共振效应进一步提升了性能：3 Hz、100 g负载下线性应变33.8%，能量密度421.5 J/kg，功率密度2,529.1 W/kg，超过已报道的DE材料。

**高输出纤维状Tri-EDE₇致动器**
利用Tri-EDE₇薄膜，通过简单的卷绕工艺制成纤维状人工肌肉。纤维直径可小至0.85 mm，长度达250 mm（此前报道的卷绕DEA长度多在8–180 mm之间）。纤维内层自粘合确保了层间紧密接触。驱动性能测试表明：直径1.95 mm的纤维在70 V/μm、1 Hz下，可提升超过400 g负载（自重1300倍以上），200 g、300 g、400 g负载下峰值应变分别为8.98%、10.74%、9.53%。与膜片构型不同，纤维未出现突弹失稳，归因于卷绕几何增加有效模量和悬挂负载引起的预拉伸稳定了响应。共振行为显示，1.95 mm直径纤维在70 V/μm、300 g负载下达到线性应变19.3%、能量密度260 J/kg、功率密度1,664 W/kg，优于已报道的卷绕DEAs。力输出评估：在预加载等长条件下，1.95 mm直径纤维在70 V/μm下产生稳定阻塞力0.9 N（应力0.33 MPa）。频率响应良好，1 Hz下输出为0.1 Hz时的88%。与现有卷绕DEAs相比，该芯纤维状DEAs直径更小，输出应力提升近一个数量级。

**乐高式集成策略**
为提升力与能量输出，研究人员开发了乐高式集成策略：将纤维状致动器通过螺栓固定于3D打印连接模块，模块间通过标准化插拔机构组合。六纤维束（每纤维负载333 g，总负载2 kg）与单纤维（负载333 g）在低电场(<60 V/μm)下应变一致；高电场(≥60 V/μm)下六纤维束性能略低，可能源于纤维间差异。能量和功率输出随纤维数量线性增加。六纤维束在70 V/μm下可提升2 kg负载，位移17 mm（应变15%），能量输出340 J，功率输出2,040 W。纤维状DEA在50 V/μm下经100,000次循环后变形和能量输出保持稳定。对比分析显示，Tri-EDE₇纤维在应变、输出应力、能量密度、功率密度四项指标上均优于现有卷绕DEAs，且其芯纤维螺旋结构便于贴合身体曲面。

**轻量化无电机髋部外服**
基于高性能纤维状DEA，研究人员构建了无独立电源的髋部辅助外服，总重约1.986 kg，远低于多数主动髋部辅助外骨骼。每侧含十纤维束（仅3 g致动器），外加服装组件（0.84 kg）和便携电源系统（1.02 kg）。3D打印模块采用弧形设计以贴合腿部。外服在站立姿态下仅突出身体1 cm，且通过隔热绝缘层确保电气安全。外服可运行于两种模式：被动辅助（无电压，纤维作为弹簧存储弹性能）和主动辅助（髋伸展时施加电压使纤维伸长，减小阻力；髋屈曲时释放弹性能）。定量测量表明，十纤维束在主动模式下通过电致应力抵消被动拉伸力，有效减小阻力。在6名健康参与者（表S5）的步行测试中（4 km/h），与无外服相比，主动模式使净代谢率降低13.9%（p=0.0032），被动模式降低6.4%（p=0.046），效果优于大多数既往髋部辅助外骨骼（图7E）。表面肌电图显示主动模式显著减小了股外侧肌（VLO）、股内侧肌（VMO）和股二头肌（BF）的肌肉活动。

**总结讨论**
本文提出了一种完全由DEA驱动的软体髋部辅助外服，消除了对笨重电机或气动系统的需求。该外服解决了DEA可穿戴机器人的两大关键障碍：DE材料输出性能不足，以及缺乏高效、贴合身体的致动器集成策略。通过双极化策略克服了DE材料机电性能的权衡，实现了介电常数、击穿强度和低机械损耗的前所未有组合。受生物肌肉分层结构启发，开发了高纵横比纤维状DEAs和乐高式集成策略，纤维状DEAs展现了优异的阻塞应力、能量密度、功率密度和循环耐久性。模块化集成构建的六纤维束可提升2 kg负载，表明该纤维构型的可扩展性和机械鲁棒性。仅6 g致动器的两束十纤维DEA驱动了无电机软体髋外服，使净代谢成本降低13.9%，超过大多数现有髋部辅助外骨骼，突出了使用软致动器在不依赖电机或气动系统情况下实现自然、舒适、高效辅助的可行性。研究为可穿戴人类辅助提供了以前未探索的范式，推动DEA人工肌肉走向实际应用。然而，在DEA驱动外服完全实现之前仍需解决若干挑战，包括开发精确的运动学模型和协调控制策略，以及加深对致动器束与人类关节或负载界面之间力学相互作用的理解。

**研究结论**
（来自论文摘要）研究人员提出了一种由高输出纤维DEAs驱动的无电机髋部外服，为下肢辅助提供了一种以前未探索的范式。研究人员开发了高纵横比纤维状DEAs，其具有高阻塞应力（381.6 mN·mm^-2）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg），这是通过弹性体的双极化分子设计实现的，以克服介电性能和机械性能之间的内在权衡。研究人员建立了一种乐高式集成策略，可高效捆扎纤维以实现力放大。与无辅助相比，该外服将步行代谢成本降低了13.9%，超过了大多数髋部外骨骼。这些发现推动了DEAs向实际可穿戴机器人的发展，用于现实世界的人类辅助。（发表于《SCIENCE ADVANCES》）