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，严重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。

河北工业大学研究团队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，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。

髋部外骨骼致动策略对比及纤维状DEA驱动外骨骼设计

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。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黏弹损耗，从而有效克服了介电性能与力学性能之间的固有矛盾。研究团队制备了面积达75cm×30cm、厚度约30μm的大面积薄膜，展现出良好的批量化生产潜力。

Tri-EDE薄膜的设计

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，弹性模量增大而机械损耗降低。其中最优配方Tri-EDE7在1kHz下介电常数达12.2，击穿强度约70V/μm，机械损耗为0.055，各项指标均显著优于商用VHB和硅橡胶。在动态力学性能方面，Tri-EDE7展现出优异的机械稳定性；在驱动性能方面，Tri-EDE7薄膜超越了包括PHDE在内的最先进介电弹性体。

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850μm、长度达250mm的纤维，实现了极高的长径比。直径为1.95mm的单根纤维在70V/μm、1Hz条件下，可提升超过400g的负载（超过自身质量1300倍），在300g负载下峰值应变达10.74%。在等长条件下，直径为1.95mm的纤维在70V/μm下产生稳定的0.9N（0.33MPa应力）力输出，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0.1Hz时88%的力。与已有卷绕式DEA相比，其在输出应力和直径方面均展现出显著优势。

高长径比Tri-EDE7纤维驱动器的性能表征

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。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和能量密度。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。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。

Tri-EDE7纤维驱动器的乐高式集成策略

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63g，其中驱动器本身仅3g）、服饰组件（0.84kg，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（1.02kg）。外骨骼在站立姿态下仅从体表突出1cm，实现了低剖面设计。

外骨骼可在被动和主动两种模式下工作。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。

基于纤维状DEA束的髋部助力软体外骨骼

六名健康受试者在4 km/h步行速度下分别接受了无外骨骼、被动助力和主动助力三种情况测试。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，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，主动模式下六名受试者的平均肌肉活动水平最低。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%和6.4%。

软体外骨骼的助力效果及与文献的对比

相关研究以“Motor-free hip exosuit via high-output fibrous dielectric elastomer actuators”为题，发表在Science Advances上。

（来源：高分子科学前沿）