河北工大，最新最新Science子刊：研發(fā)纖維狀“肌肉外骨骼”，走路省力近14%

新型無電機(jī)髖部外骨骼：纖維狀介電彈性體驅(qū)動器實現(xiàn)高效步行輔助

在可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域，軟體外骨骼因其柔順結(jié)構(gòu)和力傳遞機(jī)制而備受關(guān)注，有望減輕健康人群及患病人群的步行疲勞并改善步態(tài)。然而，現(xiàn)有軟體外骨骼的驅(qū)動仍然依賴笨重、剛性的電機(jī)或氣動驅(qū)動器，這嚴(yán)重影響了生物力學(xué)兼容性，阻礙了人與機(jī)器的無縫融合。介電彈性體驅(qū)動器作為一種輕質(zhì)、柔順的替代方案，展現(xiàn)出類肌肉驅(qū)動的巨大潛力，但在應(yīng)用于下肢外骨骼時面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是介電彈性體材料本身的力和能量輸出不足，二是缺乏可擴(kuò)展且貼合人體的集成策略。

河北工業(yè)大學(xué)郭士杰教授、禹偉?副教授提出了一種由高輸出纖維狀介電彈性體驅(qū)動器驅(qū)動的無電機(jī)髖部外骨骼（圖1），為下肢助力提供了全新范式。研究團(tuán)隊開發(fā)了高長徑比纖維狀介電彈性體驅(qū)動器，通過雙極性分子設(shè)計策略克服了介電性能與力學(xué)性能之間的固有矛盾，實現(xiàn)了高阻滯應(yīng)力（381.6 mN·mm?2）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg）。同時，研究建立了類似樂高積木的模塊化集成策略，將多根纖維高效集束以實現(xiàn)力放大。最終，該外骨骼在主動助力模式下將步行代謝成本降低了13.9%，超越了大多數(shù)已報道的髖部外骨骼系統(tǒng)，標(biāo)志著介電彈性體人工肌肉向?qū)嵱没纱┐鳈C(jī)器人邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)論文以“Motor-free hip exosuit via high-output fibrous dielectric elastomer actuators”為題，發(fā)表在Science Advances上。

圖1. 髖部外骨骼致動策略對比及纖維狀DEA驅(qū)動外骨骼設(shè)計。 電機(jī)驅(qū)動的外骨骼（左上）采用鮑登纜進(jìn)行力傳輸。本研究提出的纖維狀DEA驅(qū)動外骨骼（右）采用無電機(jī)的全新驅(qū)動范式。

材料創(chuàng)新：雙極性分子設(shè)計

研究團(tuán)隊以氫化丁腈橡膠為基體，利用其高密度的極性腈基和羧基基團(tuán)，并引入高極性交聯(lián)劑鈦酸2-乙基己醇酯，通過熱處理完成交聯(lián)，形成了“Tri-EDEn”系列介電彈性體（圖2A）。在這一雙極性策略中，基體自身的極性官能團(tuán)與交聯(lián)過程中形成的極性Ti-O鍵共同貢獻(xiàn)了升高的介電常數(shù)，同時交聯(lián)劑引入的更高交聯(lián)密度提升了材料的擊穿強(qiáng)度并降低了機(jī)械粘彈損耗（圖2B），從而有效克服了介電性能與力學(xué)性能之間的固有矛盾（圖2C）。研究團(tuán)隊制備了面積達(dá)75 cm × 30 cm、厚度約30 μm的大面積薄膜，展現(xiàn)出良好的批量化生產(chǎn)潛力（圖2D）。

圖2. Tri-EDE薄膜的設(shè)計。 （A）Tri-EDE化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。（B）Tri-EDE致動機(jī)理示意圖。（C）不同交聯(lián)密度下DE材料的擊穿強(qiáng)度、介電常數(shù)和機(jī)械損耗。每項性能均通過減去最小值并除以所有測量值的極差進(jìn)行歸一化。（D）大面積DEA薄膜照片，以6.1英寸手機(jī)作為尺寸參照。

卓越的電機(jī)械性能

系統(tǒng)研究表明，隨著交聯(lián)劑含量增加，材料的介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度同步提升（圖3A），彈性模量增大而機(jī)械損耗降低（圖3B）。其中最優(yōu)配方Tri-EDE7在1 kHz下介電常數(shù)達(dá)12.2，擊穿強(qiáng)度約70 V/μm，機(jī)械損耗（tan δ）為0.055，各項指標(biāo)均顯著優(yōu)于商用VHB和硅橡膠（圖3C）。在動態(tài)力學(xué)性能方面，Tri-EDE7在不同拉伸速率下殘余應(yīng)變遠(yuǎn)低于VHB（圖3D），且在100%應(yīng)變循環(huán)中保持穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變滯后，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（-12.15 °C）也低于VHB 4910（5.2 °C），表明在更寬的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的性能，這對復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用至關(guān)重要（圖3E）。

在驅(qū)動性能方面，Tri-EDE7薄膜在70 V/μm電場下實現(xiàn)了高達(dá)105%的面應(yīng)變（圖3F），響應(yīng)速度遠(yuǎn)超VHB——達(dá)到最終應(yīng)變90%僅需0.68秒，而VHB需125.45秒（圖3G）。在100 Hz頻率下，Tri-EDE7仍保持超過50%的驅(qū)動面積，而VHB在20 Hz時已降至30%以下。在負(fù)載條件下，該薄膜在1 Hz、100 g負(fù)載時線性應(yīng)變達(dá)20.3%（圖3H、圖3I），能量密度和功率密度分別達(dá)273.9 J/kg和547.9 W/kg；在諧振頻率下，性能進(jìn)一步提升至421.5 J/kg和2,529.1 W/kg，超越了包括PHDE在內(nèi)的最先進(jìn)介電彈性體。

圖3. Tri-EDE薄膜的電機(jī)械性能。 （A）不同交聯(lián)劑濃度下Tri-EDEn薄膜的介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度。（B）不同交聯(lián)劑濃度下Tri-EDEn薄膜的彈性模量和機(jī)械損耗。（C）Tri-EDE7在10–10? Hz頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介電損耗。（D）Tri-EDE7和VHB 4910在200%應(yīng)變下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（E）Tri-EDE7和VHB 4910在不同溫度下的機(jī)械損耗。（F）Tri-EDE7面應(yīng)變隨施加電場的變化關(guān)系。虛線表示標(biāo)準(zhǔn)差。插圖為Tri-EDE7在70 V/μm驅(qū)動前后的照片。（G）Tri-EDE7和VHB 4910在50 V/μm下的時間響應(yīng)。VHB 4910施加了275%的雙軸預(yù)拉伸。500秒的面應(yīng)變歸一化為1。（H）Tri-EDE7驅(qū)動器在50 g和100 g負(fù)載、標(biāo)稱電場70 V/μm下的動態(tài)應(yīng)變。（I）Tri-EDE7驅(qū)動器在100 g負(fù)載下70 V/μm驅(qū)動前后的照片。

高長徑比纖維狀驅(qū)動器

基于高性能Tri-EDE7薄膜，研究團(tuán)隊采用堆疊卷繞工藝制備了纖維狀人工肌肉。通過調(diào)節(jié)薄膜尺寸，可獲得直徑小至850 μm、長度達(dá)250 mm的纖維，實現(xiàn)了極高的長徑比（圖4A、圖4B）。Tri-EDE7固有的粘性確保了卷繞過程中層間牢固、均勻的接觸（圖4C）。直徑為1.95 mm的單根纖維在70 V/μm、1 Hz條件下，可提升超過400 g的負(fù)載（超過自身質(zhì)量1,300倍），在300 g負(fù)載下峰值應(yīng)變達(dá)10.74%（圖4D）。在諧振激勵下，該纖維在300 g負(fù)載下實現(xiàn)了19.3%的線性驅(qū)動應(yīng)變、260 J/kg的能量密度和1,664 W/kg的功率密度（圖4E、圖4F）。在等長條件下，直徑為1.95 mm的纖維在70 V/μm下產(chǎn)生穩(wěn)定的0.9 N（0.33 MPa應(yīng)力）力輸出（圖4G），且在不同頻率下保持良好響應(yīng)，在人體典型步頻1 Hz下可輸出0.1 Hz時88%的力（圖4H）。與已有卷繞式DEA相比，本研究的纖維在輸出應(yīng)力和直徑方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（圖4I）。

圖4. 高長徑比Tri-EDE7纖維驅(qū)動器的性能表征。 （A）長250 mm、直徑1.95 mm的纖維驅(qū)動器照片。（B）直徑850 μm的纖維驅(qū)動器掃描電鏡圖像。（C）不同直徑纖維驅(qū)動器的掃描電鏡截面圖像。（D）纖維驅(qū)動器在不同負(fù)載和電場強(qiáng)度下的應(yīng)變。（E）纖維驅(qū)動器的應(yīng)變和能量密度隨頻率變化關(guān)系。（F）不同負(fù)載下纖維驅(qū)動器的應(yīng)變-頻率曲線。（G）不同直徑纖維驅(qū)動器在被動（0 V）和驅(qū)動（70 V/μm）條件下的循環(huán)力-應(yīng)變響應(yīng)。（H）纖維驅(qū)動器在不同頻率下的歸一化力輸出。（I）本工作纖維狀Tri-EDE7驅(qū)動器與已有卷繞式DEA在輸出應(yīng)力和直徑方面的對比。

樂高式集成策略

受生物肌肉分層結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團(tuán)隊開發(fā)了類似樂高積木的模塊化集成策略。纖維驅(qū)動器通過尼龍螺栓固定在3D打印連接模塊上，多個模塊可通過標(biāo)準(zhǔn)插銷機(jī)制高效組合，實現(xiàn)多根纖維的力與能量輸出線性疊加（圖5A）。對比實驗表明，六纖維束與單纖維在單位負(fù)載相同的條件下表現(xiàn)出相近的驅(qū)動應(yīng)變（圖5B）和能量密度（圖5C）。六纖維束在70 V/μm下可提升2 kg負(fù)載達(dá)17 mm（15%應(yīng)變），實現(xiàn)0.34 J的能量輸出和2.04 W的功率輸出（原文為340 mJ和2,040 mW，此處按原文數(shù)據(jù)修正）（圖5D）。此外，纖維驅(qū)動器在10萬次循環(huán)中保持穩(wěn)定的形變和能量輸出，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性和可靠性（圖5E）。與已有卷繞式介電彈性體驅(qū)動器相比，Tri-EDE7纖維在直徑、長度、驅(qū)動應(yīng)變、輸出應(yīng)力、能量密度和功率密度六個維度上均展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢（圖5F）。

圖5. Tri-EDE7纖維驅(qū)動器的樂高式集成策略。 （A）樂高式集成策略示意圖。（B）單纖維（333 g負(fù)載）和六纖維束（2 kg負(fù)載）在不同電場強(qiáng)度、3 Hz恒定頻率下的驅(qū)動應(yīng)變。纖維直徑為1.95 mm。（C）單纖維和六纖維束對應(yīng)的能量密度。（D）六纖維束在2 kg負(fù)載下70 V/μm驅(qū)動前后的照片。纖維直徑為1.95 mm。（E）直徑1.95 mm纖維驅(qū)動器在擊穿電場強(qiáng)度70%（50 V/μm）下的循環(huán)性能。（F）本工作纖維狀Tri-EDE7驅(qū)動器與已有卷繞式DEA（文獻(xiàn)15, 21, 25, 48, 50）在尺寸（長度和直徑）和驅(qū)動參數(shù)方面的雷達(dá)圖對比。

無電機(jī)髖部外骨骼系統(tǒng)

基于高性能纖維束，研究團(tuán)隊構(gòu)建了無電機(jī)、可穿戴髖部助力外骨骼，總質(zhì)量約1.986 kg，遠(yuǎn)低于大多數(shù)主動式髖部外骨骼。該系統(tǒng)包括兩組纖維束（每組含10根纖維，含連接件共63 g，其中驅(qū)動器本身僅3 g）、服飾組件（0.84 kg，包括兩個膝部綁帶、帶肩帶的軀干束帶和腰部綁帶）和板載電源系統(tǒng)（1.02 kg）（圖6A）。外骨骼在站立姿態(tài)下僅從體表突出1 cm，實現(xiàn)了低剖面設(shè)計。研究還采用熱絕緣包覆層對高壓區(qū)域進(jìn)行電氣隔離，安全測試表明表面無漏電流，瞬態(tài)擊穿電流也處于安全范圍內(nèi)。

外骨骼可工作在被動和主動兩種模式（圖6B）。被動模式下，纖維作為類彈簧元件，在髖關(guān)節(jié)伸展時儲存彈性能，屈曲時釋放以輔助行走，但儲存能量過程會產(chǎn)生阻礙自然伸展的阻力。主動模式下，在髖關(guān)節(jié)伸展時施加電壓使纖維主動伸長，從而減少或消除阻力；屈曲時關(guān)閉電壓，儲存的彈性能釋放輔助行走。力輸出測量表明，被動模式下纖維張力隨變形近似線性增加，而施加電壓后電致應(yīng)力有效抵消了被動張力（圖6C）。

圖6. 基于纖維狀DEA束的髖部助力軟體外骨骼。 （A）髖部助力軟體外骨骼概覽。（B）外骨骼在被動和主動助力模式下的工作原理。（C）十纖維DEA束在整個步態(tài)周期中被動和主動助力模式下的力輸出。陰影表示十個連續(xù)步態(tài)周期的標(biāo)準(zhǔn)差。

人體實驗驗證

六名健康受試者在4 km/h步行速度下分別測試了無外骨骼、被動助力和主動助力三種條件（圖7A）。表面肌電圖結(jié)果顯示，兩種助力模式均顯著降低股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的活動水平，表明實現(xiàn)了有效的步行輔助。值得注意的是，由于電壓驅(qū)動的主動伸長，主動模式相比被動模式有效降低了拉伸Tri-EDE7纖維產(chǎn)生的阻力，這通過股二頭肌活動的減少得到驗證，主動模式下六名受試者的平均肌肉活動水平最低（圖7B、圖7C）。代謝成本測量顯示，主動和被動模式分別使凈代謝率相比無外骨骼步行顯著降低了13.9%（p = 0.0032）和6.4%（p = 0.046）（圖7D），這一效果超越了此前報道的大多數(shù)主動和被動髖部助力系統(tǒng)（圖7E）。

圖7. 軟體外骨骼的助力效果及與文獻(xiàn)的對比。 （A）人體行走實驗裝置示意圖。（B）典型受試者在無助力、被動助力和主動助力條件下一個步態(tài)周期內(nèi)的肌肉激活曲線。（C）六名受試者在三種條件下股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌的平均峰值肌肉活動。（D）無助力、被動助力和主動助力條件下的凈代謝率。（E）本工作結(jié)果與其他髖部助力外骨骼系統(tǒng)（文獻(xiàn)32–39）的代謝成本降低效果對比。

總結(jié)與展望

本研究提出了完全由介電彈性體驅(qū)動器驅(qū)動的軟性髖部助力外骨骼概念，消除了對笨重電機(jī)或氣動系統(tǒng)的依賴。通過雙極性分子設(shè)計策略解決了介電彈性體材料電機(jī)械性能間的固有矛盾，實現(xiàn)了高介電常數(shù)（17.6 at 10 Hz）、高擊穿強(qiáng)度（70 V/μm）和低機(jī)械損耗（tan δ = 0.055 at 1 Hz）的優(yōu)異組合；受生物肌肉分層結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開發(fā)了高長徑比纖維狀驅(qū)動器及樂高式集成策略，使纖維驅(qū)動器展現(xiàn)出卓越的阻滯應(yīng)力（381.6 mN·mm?2）、能量密度（260 J/kg）和功率密度（1,664 W/kg）及優(yōu)異的循環(huán)耐久性（10萬次）。兩組十纖維束（驅(qū)動器僅6 g）便實現(xiàn)了13.9%的代謝成本降低，超越多數(shù)現(xiàn)有髖部助力外骨骼。盡管前景廣闊，但研究也指出，在實現(xiàn)閉環(huán)控制、優(yōu)化系統(tǒng)性能及推動實際應(yīng)用前，仍需發(fā)展精確的運(yùn)動學(xué)模型和協(xié)調(diào)控制策略，并深入理解驅(qū)動器束與人體關(guān)節(jié)及負(fù)載界面之間的力學(xué)交互機(jī)制。該研究為可穿戴人體助力技術(shù)開辟了全新范式，推動介電彈性體人工肌肉向真實世界應(yīng)用邁出堅實一步。