这只是一个价值 100 美元的玩具——日本大阪 Eamex 公司开发的游泳机器人鱼水族箱。 它的 remarkable 之处在于，色彩鲜艳的塑料鱼在水中游动，逼真地模仿了生命，但它们不包含机械部件：没有电机、没有传动轴、没有齿轮，甚至没有电池。 相反，鱼之所以能够游动，是因为它们体内的塑料内脏来回弯曲，似乎是自发的。 它们是第一批基于新一代改进型电活性聚合物 (EAP) 的商业产品，这种塑料能够响应电力而移动。
几十年来，制造致动器或运动产生装置的工程师一直在寻找肌肉的人造替代品。 肌肉仅通过改变长度以响应神经刺激，就可以施加足够的受控力，足以眨动眼睑或举起杠铃。 肌肉还表现出尺度不变性：它们的机制在所有尺寸下都同样有效，这就是为什么基本上相同的肌肉组织既能驱动昆虫又能驱动大象。 因此，类似肌肉的东西可能有助于驱动难以轻松制造微型电机的设备。
EAP 有望成为未来的“人造肌肉”。 研究人员已经在雄心勃勃地研究基于 EAP 的替代方案，以替代当今的许多技术。 而且他们并不害怕将他们的创造物与自然界相提并论。 几年前，包括加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室 (JPL) 的高级研究科学家 Yoseph Bar-Cohen 在内的几个人，向电活性聚合物研究界发起了挑战，以激发人们对该领域的兴趣：一场竞赛，旨在制造第一个能够在一对一掰手腕比赛中击败人类手臂的 EAP 驱动的机械臂。 后来，他们开始寻找赞助商来补贴给获胜者的现金奖励。 第一次此类比赛于 2005 年 3 月举行，结果令机器人设计师感到失望：一位 17 岁的女孩轻松击败了她的三位机械对手，每位对手都展示了一种不同类型的人造肌肉。
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尽管结果令人失望，但研究仍在继续，目前最有希望的 EAP 研究工作可能是在位于加利福尼亚州门洛帕克的非营利合同研究实验室 SRI International 进行的。 EAP 领域的另一位先驱是 Micromuscle AB，这是一家总部位于瑞典林雪平的公司，专注于心血管治疗和药物输送领域的医疗设备应用。
2003 年，SRI 成立了一家衍生公司 Artificial Muscle, Inc. (AMI)，以将其已获得专利的 EAP 技术商业化。 AMI 现在生产使用其电活性聚合物人造肌肉技术的致动器和传感器（触摸传感器）。 这些固态设备旨在用于音频扬声器、发电机、电机、泵、阀门、传感器和致动器。 该公司的 Universal Muscle Actuator 是第一个高产量平台，可以作为先进线性致动器设计的基本构建块。 例如，AMI 最近推出了 DLP-95 自动对焦镜头定位器，这是一款紧凑型设备，可调节镜头以进行对焦和变焦。
该公司的长期目标是什么？ 只是为了用更小、更轻、更便宜的产品（使用 SRI 的新型致动器）来取代我们经常使用的无数电机，更不用说许多其他常见的运动产生机制了。 “我们相信这项技术很有可能彻底改变机械致动领域，”该实验室的业务发展主管 Philip von Guggenberg 表示。 “我们希望使这项技术无处不在，成为您可以在五金店买到的那种东西。”
[break] 可移动的材料
自 20 世纪 90 年代中期以来，BAR-COHEN 一直担任国际 EAP 研究界（高度多样化）的非官方协调员。 他回忆起该领域的初期，“我在科学论文中读到的电活性聚合物材料并没有像广告宣传的那样工作，”他狡猾地笑着说。 “由于我已经获得了 NASA 的资助来研究这项技术，我不得不四处寻找在该领域工作的人，以找到一些确实有效的东西。” 在几年内，Bar-Cohen 学到了足够的知识，可以帮助建立第一个关于该主题的科学会议，开始出版 EAP 新闻通讯，发布 EAP 网站并编辑两本关于这项新兴技术的书籍。
Bar-Cohen 坐在 JPL 园区一栋低矮的研究大楼里，周围摆满了成排的实验台，上面散落着原型致动装置和测试设备。 他回顾了他非常熟悉的这个领域的历史。 “长期以来，”他开始说道，“人们一直在研究无需电机即可移动物体的方法，因为电机对于许多应用来说可能太重和笨重。 在 EAP 开发出来之前，电机标准的替代技术是压电陶瓷，这种技术已经存在一段时间了。”
在压电材料中，机械应力会导致晶体发生电极化，反之亦然。 用电流击打它们，它们会变形； 使它们变形，它们会发电。
Bar-Cohen 从其中一个实验台上拿起一个小小的灰色圆盘，说：“这个是用 PZT 制成的——锆钛酸铅。” 他解释说，电流会使压电 PZT 收缩和膨胀，幅度为其总长度的百分之几。 运动幅度不大，但仍然有用。
在隔壁的房间里，Bar-Cohen 展示了由 PZT 圆盘驱动的、一英尺长的冲击钻，这些冲击钻是他与 JPL 的同事以及位于宾夕法尼亚州伊利市的 Cybersonics, Inc. 共同制造的。 “在这个圆柱体内部是一叠压电圆盘，”他说。 “当用交流电激活时，这叠圆盘会以超声波方式撞击一个质量块，该质量块会高速上下跳动，从而将钻头打入坚硬的岩石中。” 一侧堆放着成堆的石块，钻头在石块上切出了深孔。
作为压电陶瓷可以有效用作致动器的演示，这令人印象深刻。 但是，许多应用需要电活性材料的膨胀幅度超过百分之几。
[break] 会反应的塑料
根据 Bar-Cohen 的说法，响应电力而改变形状的聚合物可以分为两类：离子型和电子型，每种类型都具有互补的优点和缺点。
离子型 EAP（包括离子聚合物凝胶、离子型聚合物-金属复合材料、导电聚合物和碳纳米管）基于电化学原理工作——带电离子的迁移率或扩散。 它们可以直接用电池供电，因为即使是单位数的电压也会使它们发生明显的弯曲。 问题在于它们通常需要是湿的，因此必须密封在柔性涂层内。 许多离子型 EAP（尤其是离子型聚合物-金属复合材料）的另一个主要缺点是，“只要通电，材料就会持续移动，”Bar-Cohen 指出，并补充说：“如果电压高于一定水平，就会发生电解，从而对材料造成不可逆转的损坏。”
相比之下，电子型 EAP（例如铁电聚合物、驻极体、介电弹性体和电致伸缩接枝弹性体）由电场驱动。 它们需要相对较高的电压，这可能会导致不舒服的电击。 但作为回报，电子型 EAP 可以快速反应并传递强大的机械力。 它们不需要保护涂层，并且几乎不需要电流来保持位置。
SRI 的人造肌肉材料属于电子型 EAP 类别。 其成功开发的漫长、坎坷且有时是偶然的道路是技术创新变幻莫测的经典例证。
[break] 电气化橡胶
“SRI INTERNATIONAL 于 1992 年在日本微型机器计划的合同下开始研究人造肌肉，”SRI 团队的负责人、物理学家出身的机械工程师 Ron Pelrine 说。 日本官员正在寻找一种新型的微型致动器技术。 一些 SRI 科学家开始寻找一种在力、行程（线性位移）和应变（单位长度或面积的位移）方面类似于天然肌肉的运动产生材料。
“我们研究了大量可能的致动技术，”Pelrine 回忆道。 然而，最终，他们考虑了电致伸缩聚合物，这是一类当时正在由罗格斯大学的 Jerry Scheinbeim 研究的材料。 这些聚合物中的碳氢化合物分子以具有压电特性的半结晶阵列排列。
当暴露于电场时，所有绝缘塑料（如聚氨酯）都会在电场线方向收缩，并在垂直于电场线的方向膨胀。 这种现象与电致伸缩不同，被称为麦克斯韦应力。 “它早已为人所知，但通常被认为是一种有害影响，”Pelrine 说。
他认识到，比聚氨酯更柔软的聚合物在静电吸引力下会被压扁得更多，因此会提供更大的机械应变。 通过使用软硅酮，SRI 科学家很快证明了 10% 到 15% 的相当可接受的应变。 随着进一步研究，这些数字上升到 20% 到 30%。 为了区分新的致动器材料，硅酮和其他更柔软的塑料被命名为介电弹性体（它们也称为电场驱动聚合物）。
在确定了几种有希望的聚合物材料后，该小组在 20 世纪 90 年代的大部分时间里都专注于为特定应用构建设备的具体细节。 当时，SRI 团队的大部分新外部资金支持和研究方向来自国防高级研究计划局 (DARPA) 和海军研究办公室，其主管主要对将该技术用于军事目的感兴趣，包括小型侦察机器人和轻型发电机。
随着弹性体开始表现出更大的应变，工程师们意识到电极也必须变得可膨胀。 普通金属电极在不破裂的情况下无法拉伸。 “以前，人们不必担心这个问题，因为他们使用的是应变约为 1% 左右的材料，”Pelrine 指出。 最终，该团队开发了基于弹性体基质中碳颗粒的柔顺电极。 “由于电极随着塑料一起膨胀，”他指出，“它们可以在整个活动区域保持它们之间的电场。” SRI International 为这一概念申请了专利，这是后续人造肌肉技术的关键之一。
为了进行演示，Pelrine 拿出看起来像一个六英寸见方的相框，上面绷着保鲜膜。 “看，这种聚合物材料非常有弹性，”他说，用手指按入透明薄膜中。 “它实际上是一种双面胶带，以低成本大卷出售。” 在薄膜中间的两侧是黑色的、镍币大小的柔顺电极，拖着电线。
Pelrine 转动电源上的控制旋钮。 瞬间，成对电极的黑色圆圈扩大到四分之一美元的直径。 当他将旋钮转回其原始位置时，圆盘立即缩小。 他闪过一丝笑容，重复了几次这个过程，解释说：“从根本上说，我们的设备是电容器——两个带电的平行板夹着一种介电材料。 当电源打开时，正负电荷会积聚在相对的电极上。 它们相互吸引并挤压聚合物绝缘体，聚合物绝缘体通过面积膨胀来响应。”
尽管已经确定了几种有希望的材料，但在实际设备中实现可接受的性能被证明是一项挑战。 然而，1999 年的两项突破引起了政府和行业的极大兴趣。 其中一项突破来自观察到，在对聚合物进行电激活之前对其进行拉伸，以某种方式大大提高了它们的性能。 “我们开始注意到，似乎存在一个最佳点，在该点可以获得最佳性能，”另一位团队成员工程师 Roy Kornbluh 回忆道。 “没有人确切知道为什么，但预拉伸聚合物将击穿强度[电阻电极之间电流通过的能力]提高了多达 100 倍。” 致动应变也提高到类似的程度。 尽管原因仍然不清楚，但 SRI 前化学家 Qibing Pei 认为，“预拉伸使分子链沿膨胀平面定向，并使其在该方向上更硬。” 为了实现预应变效果，SRI 的致动器设备采用了外部支撑结构。
第二个关键发现主要来自于研究人员“正在测试我们能找到的每一种弹性材料——我们称之为爱迪生式方法，”Pelrine 笑着说。 （托马斯·爱迪生系统地尝试了各种材料，以使其适合用作灯泡灯丝。）“在我的家里，我们在冰箱上安装了一个聚合物门锁，以防止我的蹒跚学步的孩子进入。 随着他长大，我们不再需要门锁了，所以我把它取下来了。 但由于它是用弹性材料制成的，我决定测试它的应变特性。 令人惊讶的是，它表现出了非常好的性能。” 追踪材料并确定其成分花费了不少精力，但最终，这种神秘的聚合物“原来是一种丙烯酸弹性体，可以提供巨大的应变和能量输出——高达 380% 的线性应变。 这两项发展使我们能够开始将介电弹性体应用于现实世界的致动器设备，”这位研究人员说。
[break] 使之成为现实
SRI 团队的总体方法非常灵活，涵盖了许多设计，甚至不同的聚合物。 正如 Pei 所说，“这是一种设备，而不是一种材料。” 根据 Pelrine 的说法，该团队可以使用各种聚合物（包括丙烯酸和硅酮）产生致动效果。 甚至天然橡胶也在一定程度上有效。 例如，在极端的外太空温度下，人造肌肉最好由硅酮塑料制成，这种塑料已在 -100 摄氏度的真空中得到验证。 需要更大输出力的用途可能需要更多聚合物，或者串联或并联多个设备。
“由于介电弹性体可以从市场上购买，而且我们在每个设备中最多只使用几平方英尺的材料，因此致动器的成本将非常低，尤其是在批量生产中，”SRI 的 von Guggenberg 估计。
激活介电弹性体致动器所需的电压相对较高——通常为 1 到 5 千伏——因此这些设备可以在非常低的电流下运行（通常，高电压意味着低电流）。 它们还使用更薄、更便宜的电线，并保持相当凉爽。 “在电场击穿并且电流流过间隙[电极之间]之前，电压越高，膨胀越大，力也越大，”Pelrine 说。
“高电压可能是一个令人担忧的问题，”Kornbluh 评论道，“但这不一定很危险。 毕竟，荧光灯和阴极射线管都是高压设备，但没有人担心它们。 对于移动设备来说，这更是一个问题，因为电池通常是低电压，因此需要额外的电气转换电路。” 此外，在宾夕法尼亚州立大学，张启明和他的研究小组已设法通过将某些电致伸缩聚合物与其他物质结合以制造复合材料来降低某些电致伸缩聚合物的激活电压。
当被问及 SRI 的介电弹性体致动器的耐用性时，von Guggenberg 承认需要进行更多研究，但证明“有合理的迹象”表明它们可以持续工作足够长的时间以供商业使用：“例如，我们为一个客户运行了一个设备，该设备产生中等程度的 5% 到 10% 的应变，持续了 1000 万次循环。” 另一个设备产生了 50% 的面积应变，持续了 100 万次循环。
尽管人造肌肉技术可以比同类电机轻得多——聚合物本身的密度与水相当——但 SRI 仍在努力通过减少对预应变聚合物的外部结构的需求来减少其质量。 例如，Pei 正在尝试化学处理，以消除对相对较重的框架的需求。
[break] 制造产品
在开发出基本机制后，SRI 团队很快就开始研究大量应用概念
线性致动器。 为了制造他们所谓的弹簧卷，工程师们将几层预应变层压介电弹性体片材缠绕在螺旋弹簧上。 拉伸弹簧支撑周向预应变，而薄膜的纵向预应变使弹簧保持压缩状态[参见第 68 页的方框]。 电压使薄膜在厚度方向上挤压并在长度方向上松弛，从而使设备伸展。 因此，弹簧卷可以在紧凑的封装中产生高力和行程。 Kornbluh 报告说，汽车制造商对这些机制作为汽车中许多小型电机的替代品感兴趣，例如电动座椅位置控制装置和高效无凸轮发动机的阀门控制装置。
弯曲卷。 采用相同的基本弹簧卷，工程师可以将电极连接起来，以在圆周周围创建两个或多个不同的、单独寻址的部分。 电动激活该部分会使其卷的一侧伸展，因此整个卷会朝远离该侧的方向弯曲[参见第 68 页的方框]。 基于这种设计的机制可以进行复杂的运动，而使用传统的电机、齿轮和连杆机构很难实现这些运动。 可能的用途包括可转向的医用导管和所谓的蛇形机器人。
推拉致动器。 可以将成对的介电弹性体薄膜或弹簧卷布置成“推拉”配置，使其相互作用，从而以更线性的方式（“一个输入产生一个输出”）响应。 在一个设备和另一个设备之间切换电压可以来回移动整个组件的位置； 激活两个设备会使组件在中间点变得刚性。 这样，致动器的作用就像控制人臂运动的相对的肱二头肌和肱三头肌。
扬声器。 将介电弹性体薄膜拉伸到带有孔的框架上。 隔膜根据施加的电压信号快速膨胀和收缩，然后会发出声音。 这种配置可以产生轻巧、廉价的平板扬声器，其振动介质既是驱动器又是发声面板。 目前的设计在中高频范围内提供了良好的性能。 扬声器配置尚未针对低音扬声器进行优化，尽管没有障碍阻止其在低频下良好运行[参见前页的方框]。
泵。 介电弹性体隔膜泵的设计类似于低频扬声器的设计，工程师在其中添加了一个流体腔室和两个单向止回阀来控制液体流动。 人造肌肉非常适合为微流体泵供电，例如，用于医学和工业领域重视的芯片实验室设备。
传感器。 由于其性质，所有 SRI 的介电弹性体设备在弯曲或拉伸时都会表现出电容的变化。 因此，可以制造一种柔顺且在低电压下工作的传感器。 根据 Kornbluh 的说法，该团队几乎说服了一家汽车制造商采用该技术作为测量安全带张力的传感器。 他说，此类传感器同样可以作为纤维、条带或涂层 incorporated 到织物和其他材料中。
表面纹理和智能表面。 如果聚合物上印有电极图案，则可以在表面上按需凸起点或形状阵列。 这项技术可能会用于有源伪装织物，该织物可以根据需要改变其反射率，或者用作制造“小肋”的机制，这些“小肋”可以改善飞机机翼的气动阻力特性[参见对面页的方框]。
发电机。 同样，由于这些材料充当软电容器，因此可以使用它们制造可变电容发电机和能量收集器。 DARPA 和美国陆军资助了脚跟撞击发电机的开发，这是一种便携式能源，野战士兵和其他人员可以使用它为电子设备供电，以替代电池。 现在正在开发的一种设备可以使一个平均体型的人每秒走一步产生约 1 瓦的功率[参见上面的方框]。 Von Guggenberg 说，这个概念引起了鞋类公司的兴趣。 这些设备同样可以连接到背包带或汽车悬架组件上。 原则上，这种方法也可以应用于波浪发电机或风力发电装置。
SRI 研究人员测试了一个更激进的概念——“聚合物发动机”。 丙烷燃料在腔室内部燃烧，由此产生的燃烧产物的压力使介电弹性体隔膜变形，从而产生电力。 这种设计最终可能会产生厘米或更小尺寸范围内的高效、极小的发电机。
但真正适销对路的产品仍有待问世。 “目前，我们正在构建交钥匙设备，我们可以将这些设备交给工程师，以便他们可以使用这些设备并熟悉这项技术，”von Guggenberg 指出。 “我们希望这只是时间问题，每个工程师都会在设计新产品时考虑这项技术。”