基于固-液-气结构的超轻静电致动器

更像肌肉的机器人运动方式

从仓库地面到医院病房，机器人正越来越多地与人类共享空间。但大多数机器人由刚性金属部件构成，可能笨重、沉重，在与人密切接触时也不够安全。本文研究了一类新型超轻“软肌肉”——柔性装置，通过电场以及巧妙配置的液体和气体产生快速且强劲的运动，更像生物肌肉，而非传统电机。

软肌肉为何重要

软体机器人由可变形材料制成，能弯曲和拉伸，从而穿过狭窄空间、搬运易碎物品并与人安全互动。然而要发挥作用，它们需要致动器——产生运动的组件，要求速度快、效率高且可靠。一类有前景的致动器利用强电场推动封装在薄塑料囊内的液体。这些电流体力（electrohydraulic）装置在许多方面已可与天然肌肉媲美，但它们自重很大：质量的大部分来自液体本身，这会降低速度并限制每公斤可输出的功率。

加入第三种成分：气体

作者提出了一个简单但强有力的改动：用气体替代囊内大部分沉重液体，形成固–液–气结构。固体为带柔性电极的薄塑料壳，液体为高度绝缘的油，气体可以是普通空气或特制的绝缘气体。当加上电压时，带电电极会“拉合”，挤压少量液体并推动气体。由于气体质量极轻，这在保留将电能转化为力的机制的同时，大幅降低了致动器的质量。以广泛研究的Peano-HASEL致动器为测试平台，研究人员表明用气体替代液体可将致动器质量降低80%以上，同时在有载荷时仍保持类似的行程。

在电气击穿的临界线上行走

但有一个问题：气体比液体更容易发生电气“击穿”，也就是说当电场过强时，微小的电火花放电会形成并破坏致动过程。为了解能把气体比例提高到何种程度而不导致失效，团队将实验与高压物理中的经典规律——帕申定律（Paschen’s law）结合起来。这一定律预测在何种气体压力、表面间距和施加电压的组合下气体会发生击穿。通过对随拉合过程而变化的囊形状建模并将其与帕申预测对比，作者识别出一个安全工作区，在该区靠近活动“拉合前端”的一层薄液体可以屏蔽气体避免击穿。实验验证了在大多数取向下，使用空气时致动器在约90%气体填充比下仍能可靠工作；超过该比例，随着击穿开始，性能会突然崩溃。

更轻、更快、更有力

在这一安全窗口内，性能提升显著。由于致动器重量大幅下降，每公斤材料现在能够提供更多的功和功率。以空气为气体时，比能量（每单位质量的做功能）达到33.5焦耳/千克，是传统全液体设计的五倍，特定功率升至约1600瓦/千克，超过十一倍并远高于典型肌肉。致动器运动也更快：峰值应变率提高了最多约80%，能有效响应的频率范围也变宽。团队在一个堆叠的“甜甜圈”形致动器上展示了这些优势，该致动器驱动的跳跃机器人中，气体填充版本跳得高出60%，并且离地时间大约提前三分之一。

用更优气体提升性能

由于这些致动器是密封的，内部气体可以被工程化。作者测试了一种工业气体混合物C4F7N与CO2，这种混合气对电气击穿的抵抗力比空气高得多，但相比常用的SF6对气候的影响要小得多。用这种高强度气体填充囊体可以在良好取向下安全地将气体比例进一步提高——大约可达98%，同时仍在拉合前端保持一层小的保护性液体。在这种配置下，比能量上升到51.4焦耳/千克，超过了人体骨骼肌的能量密度。同样的设计原理可以应用于许多其他利用受限流体和电场的软致动器，为更轻的外骨骼、更灵活的仿生机器人和紧凑的触觉界面打开了可能性。

这对未来机器人的意义

对非专业读者而言，结论是作者找到了一种方法，通过用气体替代大部分沉重液体并结合基于物理的指导来避免电气失效，使机器人“肌肉”既更轻又更强。这些超轻致动器可以提供类似肌肉的能量并实现更高的每公斤功率，从而使软体机器人跳得更高、动作更快，并保持安全与柔韧。随着工程师在气体选择、几何形状和控制方面的改进，这种三相方法可能助力出现一代新的软体装备，让机器感觉不再像僵硬的工业工具，而更像有生命、能响应的身体。

引用: Joo, HJ., Fukushima, T., Li, X. et al. Ultralight soft electrostatic actuators based on solid-liquid-gas architectures. Nat Commun 17, 1929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69463-4

关键词: 软体机器人, 人工肌肉, 静电致动器, 轻量机器人, 绝缘气体