新型无电机髋部外骨骼：纤维状介电弹性体驱动器实现高效步行辅助
在可穿戴机器人领域，软体外骨骼因其柔顺结构和力传递机制而备受关注，有望减轻健康人群及患病人群的步行疲劳并改善步态。然而，现有软体外骨骼的驱动仍然依赖笨重、刚性的电机或气动驱动器，这严重影响了生物力学兼容性，阻碍了人与机器的无缝融合。介电弹性体驱动器作为一种轻质、柔顺的替代方案，展现出类肌肉驱动的巨大潜力，但在应用于下肢外骨骼时面临两大核心挑战：一是介电弹性体材料本身的力和能量输出不足，二是缺乏可扩展且贴合人体的集成策略。
河北工业大学郭士杰教授、禹伟副教授提出了一种由高输出纤维状介电弹性体驱动器驱动的无电机髋部外骨骼（图1），为下肢助力提供了全新范式。研究团队开发了高长径比纤维状介电弹性体驱动器，通过双极性分子设计策略克服了介电性能与力学性能之间的固有矛盾，实现了高阻滞应力（381.6 mN·mm⁻²）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg）。同时，研究建立了类似乐高积木的模块化集成策略，将多根纤维高效集束以实现力放大。最终，该外骨骼在主动助力模式下将步行代谢成本降低了13.9%，超越了大多数已报道的髋部外骨骼系统，标志着介电弹性体人工肌肉向实用化可穿戴机器人迈出了关键一步。相关论文以“Motor-free hip exosuit via high-output fibrous dielectric elastomer actuators”为题，发表在Science Advances上。
图1. 髋部外骨骼致动策略对比及纤维状DEA驱动外骨骼设计。 电机驱动的外骨骼（左上）采用鲍登缆进行力传输。本研究提出的纤维状DEA驱动外骨骼（右）采用无电机的全新驱动范式。
材料创新：双极性分子设计
研究团队以氢化丁腈橡胶为基体，利用其高密度的极性腈基和羧基基团，并引入高极性交联剂钛酸2-乙基己醇酯，通过热处理完成交联，形成了“Tri-EDEn”系列介电弹性体（图2A）。在这一双极性策略中，基体自身的极性官能团与交联过程中形成的极性Ti-O键共同贡献了升高的介电常数，同时交联剂引入的更高交联密度提升了材料的击穿强度并降低了机械粘弹损耗（图2B），从而有效克服了介电性能与力学性能之间的固有矛盾（图2C）。研究团队制备了面积达75 cm × 30 cm、厚度约30 μm的大面积薄膜，展现出良好的批量化生产潜力（图2D）。
图2. Tri-EDE薄膜的设计。 （A）Tri-EDE化学结构示意图。（B）Tri-EDE致动机理示意图。（C）不同交联密度下DE材料的击穿强度、介电常数和机械损耗。每项性能均通过减去最小值并除以所有测量值的极差进行归一化。（D）大面积DEA薄膜照片，以6.1英寸手机作为尺寸参照。
卓越的电机械性能
系统研究表明，随着交联剂含量增加，材料的介电常数和击穿强度同步提升（图3A），弹性模量增大而机械损耗降低（图3B）。其中最优配方Tri-EDE7在1 kHz下介电常数达12.2，击穿强度约70 V/μm，机械损耗（tan δ）为0.055，各项指标均显著优于商用VHB和硅橡胶（图3C）。在动态力学性能方面，Tri-EDE7在不同拉伸速率下残余应变远低于VHB（图3D），且在100%应变循环中保持稳定的应力-应变滞后，展现出优异的机械稳定性。其玻璃化转变温度（-12.15 °C）也低于VHB 4910（5.2 °C），表明在更宽的温度范围内具有稳定的性能，这对复杂环境下的应用至关重要（图3E）。
在驱动性能方面，Tri-EDE7薄膜在70 V/μm电场下实现了高达105%的面应变（图3F），响应速度远超VHB——达到最终应变90%仅需0.68秒，而VHB需125.45秒（图3G）。在100 Hz频率下，Tri-EDE7仍保持超过50%的驱动面积，而VHB在20 Hz时已降至30%以下。在负载条件下，该薄膜在1 Hz、100 g负载时线性应变达20.3%（图3H、图3I），能量密度和功率密度分别达273.9 J/kg和547.9 W/kg；在谐振频率下，性能进一步提升至421.5 J/kg和2,529.1 W/kg，超越了包括PHDE在内的最先进介电弹性体。
图3. Tri-EDE薄膜的电机械性能。 （A）不同交联剂浓度下Tri-EDEn薄膜的介电常数和击穿强度。（B）不同交联剂浓度下Tri-EDEn薄膜的弹性模量和机械损耗。（C）Tri-EDE7在10–10⁴ Hz频率范围内的介电常数和介电损耗。（D）Tri-EDE7和VHB 4910在200%应变下的循环应力-应变曲线。（E）Tri-EDE7和VHB 4910在不同温度下的机械损耗。（F）Tri-EDE7面应变随施加电场的变化关系。虚线表示标准差。插图为Tri-EDE7在70 V/μm驱动前后的照片。（G）Tri-EDE7和VHB 4910在50 V/μm下的时间响应。VHB 4910施加了275%的双轴预拉伸。500秒的面应变归一化为1。（H）Tri-EDE7驱动器在50 g和100 g负载、标称电场70 V/μm下的动态应变。（I）Tri-EDE7驱动器在100 g负载下70 V/μm驱动前后的照片。
高长径比纤维状驱动器
基于高性能Tri-EDE7薄膜，研究团队采用堆叠卷绕工艺制备了纤维状人工肌肉。通过调节薄膜尺寸，可获得直径小至850 μm、长度达250 mm的纤维，实现了极高的长径比（图4A、图4B）。Tri-EDE7固有的粘性确保了卷绕过程中层间牢固、均匀的接触（图4C）。直径为1.95 mm的单根纤维在70 V/μm、1 Hz条件下，可提升超过400 g的负载（超过自身质量1,300倍），在300 g负载下峰值应变达10.74%（图4D）。在谐振激励下，该纤维在300 g负载下实现了19.3%的线性驱动应变、260 J/kg的能量密度和1,664 W/kg的功率密度（图4E、图4F）。在等长条件下，直径为1.95 mm的纤维在70 V/μm下产生稳定的0.9 N（0.33 MPa应力）力输出（图4G），且在不同频率下保持良好响应，在人体典型步频1 Hz下可输出0.1 Hz时88%的力（图4H）。与已有卷绕式DEA相比，本研究的纤维在输出应力和直径方面均展现出显著优势（图4I）。
图4. 高长径比Tri-EDE7纤维驱动器的性能表征。 （A）长250 mm、直径1.95 mm的纤维驱动器照片。（B）直径850 μm的纤维驱动器扫描电镜图像。（C）不同直径纤维驱动器的扫描电镜截面图像。（D）纤维驱动器在不同负载和电场强度下的应变。（E）纤维驱动器的应变和能量密度随频率变化关系。（F）不同负载下纤维驱动器的应变-频率曲线。（G）不同直径纤维驱动器在被动（0 V）和驱动（70 V/μm）条件下的循环力-应变响应。（H）纤维驱动器在不同频率下的归一化力输出。（I）本工作纤维状Tri-EDE7驱动器与已有卷绕式DEA在输出应力和直径方面的对比。
乐高式集成策略
受生物肌肉分层结构启发，研究团队开发了类似乐高积木的模块化集成策略。纤维驱动器通过尼龙螺栓固定在3D打印连接模块上，多个模块可通过标准插销机制高效组合，实现多根纤维的力与能量输出线性叠加（图5A）。对比实验表明，六纤维束与单纤维在单位负载相同的条件下表现出相近的驱动应变（图5B）和能量密度（图5C）。六纤维束在70 V/μm下可提升2 kg负载达17 mm（15%应变），实现0.34 J的能量输出和2.04 W的功率输出（原文为340 mJ和2,040 mW，此处按原文数据修正）（图5D）。此外，纤维驱动器在10万次循环中保持稳定的形变和能量输出，展现出优异的耐久性和可靠性（图5E）。与已有卷绕式介电弹性体驱动器相比，Tri-EDE7纤维在直径、长度、驱动应变、输出应力、能量密度和功率密度六个维度上均展现出明显优势（图5F）。
图5. Tri-EDE7纤维驱动器的乐高式集成策略。 （A）乐高式集成策略示意图。（B）单纤维（333 g负载）和六纤维束（2 kg负载）在不同电场强度、3 Hz恒定频率下的驱动应变。纤维直径为1.95 mm。（C）单纤维和六纤维束对应的能量密度。（D）六纤维束在2 kg负载下70 V/μm驱动前后的照片。纤维直径为1.95 mm。（E）直径1.95 mm纤维驱动器在击穿电场强度70%（50 V/μm）下的循环性能。（F）本工作纤维状Tri-EDE7驱动器与已有卷绕式DEA（文献15, 21, 25, 48, 50）在尺寸（长度和直径）和驱动参数方面的雷达图对比。
无电机髋部外骨骼系统
基于高性能纤维束，研究团队构建了无电机、可穿戴髋部助力外骨骼，总质量约1.986 kg，远低于大多数主动式髋部外骨骼。该系统包括两组纤维束（每组含10根纤维，含连接件共63 g，其中驱动器本身仅3 g）、服饰组件（0.84 kg，包括两个膝部绑带、带肩带的躯干束带和腰部绑带）和板载电源系统（1.02 kg）（图6A）。外骨骼在站立姿态下仅从体表突出1 cm，实现了低剖面设计。研究还采用热绝缘包覆层对高压区域进行电气隔离，安全测试表明表面无漏电流，瞬态击穿电流也处于安全范围内。
外骨骼可工作在被动和主动两种模式（图6B）。被动模式下，纤维作为类弹簧元件，在髋关节伸展时储存弹性能，屈曲时释放以辅助行走，但储存能量过程会产生阻碍自然伸展的阻力。主动模式下，在髋关节伸展时施加电压使纤维主动伸长，从而减少或消除阻力；屈曲时关闭电压，储存的弹性能释放辅助行走。力输出测量表明，被动模式下纤维张力随变形近似线性增加，而施加电压后电致应力有效抵消了被动张力（图6C）。
图6. 基于纤维状DEA束的髋部助力软体外骨骼。 （A）髋部助力软体外骨骼概览。（B）外骨骼在被动和主动助力模式下的工作原理。（C）十纤维DEA束在整个步态周期中被动和主动助力模式下的力输出。阴影表示十个连续步态周期的标准差。
人体实验验证
六名健康受试者在4 km/h步行速度下分别测试了无外骨骼、被动助力和主动助力三种条件（图7A）。表面肌电图结果显示，两种助力模式均显著降低股外侧肌和股内侧肌的活动水平，表明实现了有效的步行辅助。值得注意的是，由于电压驱动的主动伸长，主动模式相比被动模式有效降低了拉伸Tri-EDE7纤维产生的阻力，这通过股二头肌活动的减少得到验证，主动模式下六名受试者的平均肌肉活动水平最低（图7B、图7C）。代谢成本测量显示，主动和被动模式分别使净代谢率相比无外骨骼步行显著降低了13.9%（p = 0.0032）和6.4%（p = 0.046）（图7D），这一效果超越了此前报道的大多数主动和被动髋部助力系统（图7E）。
图7. 软体外骨骼的助力效果及与文献的对比。 （A）人体行走实验装置示意图。（B）典型受试者在无助力、被动助力和主动助力条件下一个步态周期内的肌肉激活曲线。（C）六名受试者在三种条件下股外侧肌、股内侧肌和股二头肌的平均峰值肌肉活动。（D）无助力、被动助力和主动助力条件下的净代谢率。（E）本工作结果与其他髋部助力外骨骼系统（文献32–39）的代谢成本降低效果对比。
总结与展望
本研究提出了完全由介电弹性体驱动器驱动的软性髋部助力外骨骼概念，消除了对笨重电机或气动系统的依赖。通过双极性分子设计策略解决了介电弹性体材料电机械性能间的固有矛盾，实现了高介电常数（17.6 at 10 Hz）、高击穿强度（70 V/μm）和低机械损耗（tan δ = 0.055 at 1 Hz）的优异组合；受生物肌肉分层结构启发，开发了高长径比纤维状驱动器及乐高式集成策略，使纤维驱动器展现出卓越的阻滞应力（381.6 mN·mm⁻²）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg）及优异的循环耐久性（10万次）。两组十纤维束（驱动器仅6 g）便实现了13.9%的代谢成本降低，超越多数现有髋部助力外骨骼。尽管前景广阔，但研究也指出，在实现闭环控制、优化系统性能及推动实际应用前，仍需发展精确的运动学模型和协调控制策略，并深入理解驱动器束与人体关节及负载界面之间的力学交互机制。该研究为可穿戴人体助力技术开辟了全新范式，推动介电弹性体人工肌肉向真实世界应用迈出坚实一步。
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