近日，bv伟德源自英国始于1946郭士杰教授禹伟副教授课题组在电活性聚合物人工肌肉材料机器在大功率驱动应用上取得了重要阶段性进展。首次提出并构建了电活性聚合物人工肌肉驱动的本质柔性下肢髋关节助力服，为无电机轻量化柔性可穿戴机器人系统设计提供了新的技术路径。相关研究成果以“Motor-Free Hip Exosuit via High-Output Fibrous Dielectric Elastomer Actuators”为题，发表于国际顶级学术期刊Science Advances (DOI: 10.1126/sciadv.aec6917)。河北工业大学为论文的第一完成单位及通讯单位，bv伟德源自英国始于1946博士生张子奇和禹伟副教授为该论文共同第一作者，禹伟副教授、郭士杰教授为论文共同通讯作者。

图1 纤维状人工肌肉与采用其他致动策略的髋关节外骨骼对比

柔性下肢外骨骼可有效降低行走疲劳、改善步态，但现有系统多依赖刚性电机或气动驱动，存在结构笨重、柔顺性不足等问题。介电弹性体人工肌肉具有类肌肉变形、高柔顺性和轻量化等优势，但受限于材料性能与器件构型，仍面临力和能量输出不足、人体贴合集成困难等挑战，制约了其在下肢助力中的应用。

图2电活性聚合物人工肌肉材料改性策略及实物图

针对上述问题，研究团队提出了双极性分子设计策略，协同提升了介电材料的力-电性能。在此基础上，团队进一步构筑了仿肌肉无芯纤维状驱动器，实现了381.6 mN/mm2的阻塞应力、260 J/kg的能量密度和1664 W/kg的功率密度，并可稳定循环100000次以上。与现有卷绕型介电弹性体驱动器相比，该驱动器直径更小、输出应力提升近一个数量级，更适合高密度集成于柔性可穿戴系统中。

图3 高长径比纤维状人工肌肉驱动性能

面向柔性外骨骼应用，团队提出了一种 “主被动”混合助力人工肌肉驱动方案，构建了一款无电机髋关节柔性外骨骼系统（总重约1.9 kg）。实验结果表明，该系统可有效降低穿戴者的下肢肌肉激活水平和人体代谢水平。该工作验证了人工肌肉在可穿戴人体助力装备中的应用潜力，推动其向实用化迈出重要一步。

图4 人工肌肉驱动髋关节外骨骼及助力效果

河北工业大学健康护理机器人团队在国家高层次人才郭士杰教授带领下，聚焦康复与护理机器人关键技术研发，积极推动科研成果向产业应用转化。研发的柔性触觉传感技术入选中国科协“科创中国”先导技术榜单；研制的仿人背抱式移乘护理机器人荣获中国老年福祉产品设计大赛金奖，并受到央视CCTV1新闻联播报道；研发的柔性翻身床等产品实现产业化应用，累计转化产值超过千万元。近五年团队获河北省科学技术奖励一等奖两项、二等奖一项，天津市科学技术奖励二等奖一项，承担国家级及省部级科研项目40余项，累计科研经费3000余万元，在国内外刊物发表学术论文200余篇，申请发明专利100余项。未来，团队将持续围绕康复护理机器人前沿技术和高端装备开展创新研究，加快科技成果转化，为推动我国智慧康养产业高质量发展贡献力量。

 

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图文 | 禹伟  郭士杰

编辑 | 张召朋

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