介电弹性体致动器（Dielectric elastomer actuator，简称 DEA）能够基于电场驱动直接把电能转化成机械能，用于软体机器人的“肌肉”制作。不过，相较驱动刚性机器人的压电双晶片和电磁电机等刚性执行器，市面上大部分DEA的功率密度和寿命都较低，且需要较高的驱动电压。

为此，来自麻省理工学院（MIT）的研究团队设计了一种“基于并联多层电极材料技术、具有低驱动电压、强耐久性”的新型 DEA，不仅能够提升微型飞行器的动力，而且使其各方面表现都优于当前同尺度下的其它飞行器。

相关论文以《一种由低压长寿命 DEA 驱动的高升程微型空中机器人》（A High-Lift Micro-Aerial-Robot Powered by Low-Voltage and Long-Endurance Dielectric Elastomer Actuators）为题发表在 Advanced Materials 上，并被选为该期刊的封面文章。

图片来源：Advanced Materials

据了解，集成该DEA的空中机器人在现有亚克级（sub-gram）空中机器人中性能最好、飞行时间最长，其悬停时间达到20s，位置和姿态误差分别小于2.5cm和2°，并实现了超过 200万次驱动循环的长使用寿命。

而且，该机器人在升力重量比（lift-to-weight ratio）方面也有所提升，从之前的2:1提升到了 3.7:1，是目前同尺寸下能达到的最好性能。

论文第一作者任智健称，之所以能达到这样的突破，归功于进一步降低了DEA每一层弹性聚合物（Elastomer）的厚度。

此外，该团队针对DEA驱动电压较高的问题做出了努力。此前DEA需要达到接近2000V的工作电压才能使机器人完成起飞，而他们最新研制的DEA只需要大约500V的工作电压。

研究人员表示，从材料角度出发，降低电压就是要在减小每层弹性聚合物厚度的同时，增加相应的层数。虽然思路很容易被想到，但具体操作起来就会有各种各样的问题。

比如，层数增加会使得烘烤聚合物的时间增长，驱动器的整体制作时间也成倍增长，不利于进一步减小厚度；而且，随着厚度的减小，弹性聚合物中的气泡很容易在通电测试的过程中被击穿，从而导致驱动器整体性能的下降。

DEA性能表征

图片来源：Advanced Materials

面对这些问题，该团队进行了反复的制作工艺调整和样品测试，同时引入了一些针对性的解决措施，比如在每层弹性聚合物旋涂后立即抽真空来大幅减少气泡，以及多次放入烤箱等具体加工工艺细节。在不断的摸索与尝试过程中，他们最终找到了比较稳定的加工工艺。

随后，他们还进行了各种对比测试，如静态扇翅测试、动态升力测试和最后的飞行器起飞测试等。通过这些测试，研究人员获得了完整的数据，证明其最新加工工艺的确提高了DEA和微型飞行器的整体性能。

任智健谈到，他们的大部分工作是在疫情期间完成的，所以其需要在有限的实验时间里尽可能多尝试不同的制作工艺，并对测试得到的数据加以分析，再去思考如何改进。

DEA制造和机器人组装

图片来源：Advanced Materials

值得一提的是，该研究在DEA和微型无人机领域都有着极其重要的意义，改进后DEA制作工艺虽然简单又传统，但十分有效。

据任智健表示，目前研发的DEA还处于实验室阶段，到实际应用还有一定距离。下一步，计划在现有基础上通过优化微型无人机的结构设计来增加其可控性。此外，他们还计划基于低工作电压设计出轻量化的供电电路，以达到无线化（untethered）飞行的目标。

未来，这种DEA驱动的微型飞行器可应用于救援搜索、复杂地形勘探以及农业播种等领域。

文章来源：DeepTech深科技