本文由Ruiqian Wang, Chuang Zhang, Wenjun Tan, Jia Yang, Daojing Lin, Lianqing Liu 等学者完成，研究团队主要来自中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室、中国科学院机器人与智能制造创新研究院以及中国科学院大学。该研究成果以“Electroactive Polymer-Based Soft Actuator with Integrated Functions of Multi-Degree-of-Freedom Motion and Perception”为题，于2023年发表于国际学术期刊 《Soft Robotics》 (Volume 10, Number 1)。
学术背景 本研究属于软体机器人与智能材料交叉领域，具体聚焦于软体驱动器的设计与制造。软体驱动器因其柔顺性、静音性和本质安全性，在软体机器人、生物医学和智能系统领域受到广泛关注。然而，多数现有软体驱动器仅具备单一的驱动元件，且缺乏感知能力，导致其难以执行具有多自由度 的复杂、高精度运动。同时，实现感知功能的方法也面临挑战：一方面，利用驱动材料自身传感特性的方法（如使用导电聚合物）通常需要复杂算法从信号中分离信息，且精度有限；另一方面，将外部高精度软传感器与驱动器集成的物理方法，常伴随复杂的制造工艺以及异质材料间的应力集中、模量不匹配、界面粘附不稳定等问题。因此，探索更高效的集成方法，以同时实现多自由度驱动和高精度感知，成为该领域亟待解决的问题。
介电弹性体作为一种电活性聚合物，因其快速的响应速度和高能量密度，成为制造软体驱动器的理想功能材料。同时，其灵敏的压阻特性也使其具备作为软传感器的潜力。基于此，本研究旨在利用同一种功能材料和集成化的制造方法，开发一种集成了多自由度运动与感知功能的软体驱动器，从而规避由异质材料集成带来的弊端，并拓展软体驱动器的功能和应用范围。
研究流程详述 本研究包含驱动器设计与制备、性能表征、传感特性验证以及应用演示四大主要流程，研究对象是研究者自主设计并制造的柱状介电弹性体驱动器。
流程一：驱动器设计与制备 驱动器的仿生设计灵感来源于人体手指结构，其核心是一个多自由度的柱状介电弹性体驱动器。主要组成部分包括：介电薄膜层（采用3M公司的VHB 4910丙烯酸薄膜）、导电层（采用碳黑油脂电极）、一个可压缩弹簧以及ABS塑料端盖。 1. 多自由度驱动设计：为实现多方向弯曲，研究者将多排电极均匀缠绕在弹簧周围。通过控制不同电极的通电顺序和电压幅值，即可实现不同角度和幅度的弯曲。研究中设计并测试了二自由度（两排电极）和三自由度（三排电极）的驱动器构型。 2. 集成感知设计：研究者提出了一个驱动与感知一体化的方案。感知层位于驱动层外部，中间通过被动层进行电隔离。当驱动层变形时，会拉伸或压缩外部的感知层，导致其电阻发生变化。通过测量感知层电阻的分压变化，即可实时反馈驱动器的变形状态。这种设计确保了驱动层与感知层中心线的重合，提高了感知精度。 3. 制造方法：该驱动器采用了一种集成化的制造流程。首先，将VHB薄膜进行双轴预拉伸。其次，使用PDMS制作特定宽度的电极印章，将碳黑转印到VHB薄膜上，形成标准的驱动电极和传感电极图案。然后，将弹簧以一定压缩比固定在支撑架上，两端用ABS端盖封装。接着，将涂覆有碳黑的VHB薄膜均匀缠绕在压缩弹簧上，形成多层柱状结构。最后，剪掉ABS端盖外多余的VHB薄膜，并用热缩管固定两端。这种基于同种材料和一体化缠绕的制造方法，是本研究的创新工艺之一。
流程二：驱动器性能表征 本流程对制备的驱动器进行了系统的性能测试，以量化其驱动能力。测试对象为具有不同驱动层数（n）和电极排数的驱动器样本。主要测试包括： 1. 弯曲性能：使用高压电源模块驱动单侧电极，同时用高速摄像机记录驱动器弯曲角度。通过ImageJ软件分析图像，测量不同驱动电压下的弯曲角度。实验表明，当驱动层数n=6、驱动电压为5kV时，二自由度驱动器的最大弯曲角度接近50°。同时，驱动器表现出良好的双向对称弯曲特性。研究还发现，弯曲角度随驱动层数先增后减，在n=6时达到最优；驱动频率升高则有效弯曲角度下降，这主要归因于介电弹性体的粘弹性导致的滞后和蠕变现象。 2. 轴向伸长性能：当对两侧电极同时施加高电压时，驱动器产生轴向伸长运动。使用激光位移传感器测量端部位移。实验结果显示，在n=6、5kV电压下，最大伸长量达5.8毫米，对应的轴向应变约为13%。 3. 输出力测量：使用悬臂梁称重传感器和数字显示装置测量驱动器的输出力（堵转力）。结果表明，输出力随驱动层数和电压增加而增大，最大稳态输出力可达14 mN。研究还观察到一个显著的瞬态输出力峰值（对于n=6，可达约25 mN），这可用于执行需要瞬时扭矩的任务。 4. 多自由度可达性验证：针对三自由度驱动器，研究者通过选择性激励不同的电极，展示了驱动器末端位置在全方位的可达性，证明了其能够实现全方位驱动。
流程三：传感特性验证 本流程旨在验证集成感知层的性能。研究者搭建了基于分压电路的传感测量系统。 1. 静态传感特性：在0-4 kV范围内逐步增加驱动电压，测量感知层的分压变化。实验数据显示，在0.5-3.5 kV的驱动电压区间内，感知电压与驱动电压呈良好的线性关系，验证了传感器在主要工作范围内的线性响应。 2. 动态响应与稳定性：测试了驱动器在不同驱动频率（0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz）下，感知信号的跟随能力。结果表明，尽管高频下驱动器变形有损失导致感知信号峰值降低，但传感信号均值保持稳定，且能有效跟随驱动频率。通过100次循环测试，验证了传感器优异的循环稳定性。 3. 多通道感知与实时反馈：针对二自由度驱动器配置了两个传感通道。实验显示，当驱动器弯曲时，受拉伸的传感通道分压上升，受压缩的通道分压下降。通过耦合两个通道的信号，可以同时感知弯曲的大小和方向。更重要的是，感知信号对驱动器的弯曲和伸长变形都能实现零延迟的同步响应，这对于软体机器人的精确闭环控制至关重要。
流程四：潜在应用演示 为展示所提出驱动器的优势，研究者设计了由多个该驱动器组成的软体夹持器，并进行了功能性演示。 1. 一自由度夹持器拧螺母：利用一自由度驱动器变形大、瞬态输出力强的特点，设计了具有三个手指的夹持器。通过以1 Hz频率驱动，夹持器能持续产生瞬态扭矩，成功实现了对螺母的拧紧操作。 2. 二自由度夹持器适应性抓取：利用二自由度驱动器既可向内弯又可向外弯的特性，设计了能扩大工作空间的夹持器。通过控制内外电极的通电顺序，该夹持器成功实现了对不同大小花朵的无损抓取：抓取小花时仅激活外电极使手指内弯；抓取大花时，先激活内电极使手指外弯扩大空间，再激活外电极内弯抓取。 3. 具有感知功能的夹持器：使用带有感知功能的驱动器组装夹持器，并对比了抓取软硬不同物体时的感知信号。实验发现，抓取软物体时，随着驱动电压增加，物体变形导致传感分压持续变化；而抓取硬物体时，一旦夹持器接触物体，传感分压便几乎不再随电压增加而改变。这一特性可用于判断接触状态，防止因过驱动力或高压击穿而损坏被抓物体或驱动器本身，展示了集成感知在实现安全、智能抓取方面的价值。
主要研究结果 1. 成功设计并制备了一种基于同种电活性聚合物材料（VHB薄膜）的、集驱动与感知于一体的多自由度柱状软体驱动器。 2. 驱动器性能方面：通过优化电极排布和选择性激励，实现了全方位驱动。在最优设计（n=6）下，最大弯曲角度达50°，最大轴向应变达13%，最大稳态输出力14 mN，并具有瞬态高输出力特性。驱动频率响应可达5 Hz以上。 3. 感知功能方面：集成感知层能够实时、准确、零延迟地测量驱动器的变形模式、方向和大小，传感信号在主要工作范围内线性良好，且具有出色的循环稳定性和频率跟随特性。 4. 应用验证方面：基于该驱动器模块组装的多种软体夹持器，成功演示了拧螺母、适应性抓取不同尺寸物体以及基于感知的安全抓取等复杂操作任务，验证了驱动器及其集成设计方法的有效性和实用性。
结论与意义 本研究提出并验证了一种多自由度运动与感知一体化的软体驱动器设计方法。其核心贡献在于利用同一种功能材料，通过集成化的电极设计和制造工艺，在同一器件上实现了驱动与感知两种功能，有效避免了异质材料集成带来的问题，并允许在必要时将感知层转换为驱动层使用。
科学价值：该工作为设计具有驱动和感知双重功能的多功能软体驱动器提供了一种新颖且有效的思路。它展示了如何通过材料、结构和工艺的协同设计，来提升软体致动器的智能化和集成化水平，对软体仿生学、软体机器人精确控制等领域的研究具有重要启发意义。
应用价值：所开发的驱动器具有结构紧凑、响应较快、功能集成度高的特点，在医疗操作（如微创手术器械）、与环境交互的软体机器人（如探测、抓取易碎物品）、以及需要复杂灵巧运动的仿生机器人（如多足行走、水下推进）等领域展现出广阔的应用潜力。
研究亮点 1. 材料与功能一体化：最大的创新点在于使用同一种电活性聚合物材料，通过独特的电极图案设计和集成化制造，同时实现了多自由度驱动和高精度感知，突破了传统“驱动”与“传感”分离或简单叠加的设计范式。 2. 结构设计新颖：柱状弹簧支撑、多层薄膜缠绕的结构，既提供了恢复力，又实现了多自由度解耦，并通过优化驱动层数达到了性能最优。 3. 感知与驱动深度融合：感知层不仅能实时反馈变形，其与驱动层同质的特性确保了力学兼容性和信号的一致性，为实现低延迟、高精度的闭环控制奠定了基础。 4. 应用演示全面：从简单的单向运动到复杂的多自由度操作，从开环驱动到基于感知的交互，研究通过一系列精心设计的应用演示，全面且有力地证明了该驱动器设计方法的优越性和实用价值。
其他有价值内容 文中指出了当前研究的局限性：所集成的感知功能目前仅能感知变形，尚不能感知驱动器的输出力。作者展望了未来的工作方向，例如引入压阻式传感器以实现多维位移、速率和力的全方位感知。这为后续研究指明了清晰的改进路径。此外，文中还提及了通过喷墨打印等工艺制造微纳米级柔性电极以进一步提升传感器灵敏度的可能性。