介电弹性体人工肌肉作为电驱动软体致动器的核心材料，在软体机器人、可穿戴设备、触觉交互和仿生假肢等领域具有广阔前景。其工作原理基于麦克斯韦应力：在电场作用下，介电弹性体薄膜厚度压缩、面积扩张，从而将电能转化为机械功。然而，其实际应用长期受限于低机电灵敏度，即在低驱动电场下难以实现大变形与高输出性能。机电灵敏度由材料的相对介电常数与杨氏模量共同决定，提升该参数需兼顾高介电常数与低模量。传统策略如添加高介电填料、化学改性或网络结构优化虽有所进展，但机电灵敏度普遍不超过110 MPa-1，且往往牺牲击穿强度、响应速度或循环寿命。另一方面，单纯降低杨氏模量易导致介电性能下降和机械稳定性不足。因此，如何在单一材料体系中协同优化介电性、柔软性与耐久性，成为突破软体驱动器性能瓶颈的关键科学挑战。
二、【创新成果】
基于此，上海交通大学谷国迎教授、朱向阳教授联合江西科技师范大学卢宝阳教授在Science上发表了题为“Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle”的论文，提出了一种异质交联诱导相分离策略，成功构建了半分离型双相双连续介电弹性体（SBE）。该材料巧妙整合两种商用硅橡胶：高介电常数的Sylgard 170通过主链高密度交联形成连续介电相（D-Phase），而超软的Elastosil P7676则通过侧链低密度交联构建连续力学相（M-Phase）。两相因PDMS链互穿而边界模糊但功能协同，既保留了高介电响应，又实现了极低模量（~8 kPa）。所得SBE材料展现出高达360 MPa-1的机电灵敏度，在低电场下兼具高能量密度与超长寿命，并成功应用于大行程机械臂和多模态无缆软体机器人，为高性能软体驱动器提供了新范式。
三、【图文解析】
图1 异质交联诱导相分离策略及材料性能 © 2025 AAAS
图2 SBE人工肌肉性能研究 © 2025 AAAS
图3 SBE人工肌肉长期稳定性和鲁棒性 © 2025 AAAS
图4 SBE人工肌肉应用 © 2025 AAAS
四、【科学启迪】
综上，受限于材料本征性能瓶颈，软体驱动器难以在低电压、高输出、长寿命之间取得平衡。本研究提出了一种异质交联诱导相分离策略，成功构建了SBE。该设计巧妙地将高介电常数相（D-Phase）与超低模量力学相（M-Phase）在分子尺度上协同集成，突破了传统介电弹性体中“高介电常数”与“低杨氏模量”难以兼得的材料矛盾。由此获得的SBE人工肌肉在低驱动电场下实现了高达360 MPa-1的机电灵敏度，远超现有材料（通常小于110 MPa-1），并同步展现出高能量密度、快速响应、高效率和超长循环寿命等综合优势。基于此，研究人员展示了具备高能量密度和无缆运行能力的机械臂及多模态软体爬行机器人，验证了其实际应用潜力。本研究为下一代兼具优异的输出性能、超长寿命和出色的结构完整性的电驱动软体机器人奠定了基础。
原文详情：Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle (Science 2025, 390, 1044-1049.)
本文由大兵哥供稿。
