基于聚合物的电驱动软体机器人研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31563

Abstract

Abstract:

Electrically driven robots have gained widespread attention in the robotics field due to their fast response， high control precision， and flexibility. Compared to rigidly structured electrically driven robots， polymer-based electrically driven soft robots offer higher degrees of freedom， adaptability， and robustness， making them highly promising for applications such as aerospace. However， the electro-responsive smart driving materials used in polymer-based electrically driven soft robots still face challenges such as low energy efficiency， insufficient driving precision， and poor stability. In terms of device design， existing actuation methods face challenges such as simplicity， limited applicability across diverse scenarios， and insufficient ability to support multimodal motion in complex environments. This review first summarizes the driving mechanisms of different types of polymer-based electrically driven soft robots from a material perspective and reviews methods for improving their driving performance. From a device perspective， the review then outlines the movement characteristics of these robots in complex environments， including crawling， walking， jumping， climbing， underwater movement， and flight， as well as the integration of driving functions and multiphysical field coupling to expand the application scenarios of soft driving. Finally， the current limitations and future research trends are identified.

Key words: electric-driven, polymers, soft robots, multifunctional material, flexible mechanism

CLC Number:

V219

Chenyu GUO, Guodong HOU, Xiaoshi QIAN, Guang MENG. Recent progress on polymer-based electrically driven soft robots[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(15): 431563.

Figures/Tables 12

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	‍［109］ CHEN Y F， ARASE C， REN Z J， et al. Design， characterization， and liftoff of an insect-scale soft robotic dragonfly powered by dielectric elastomer actuators‍［J］. Micromachines， 2022， 13（7）： 1136.
	‍［110］ KIM S， HSIAO Y H， CHEN Y， et al. Firefly： An insect-scale aerial robot powered by electroluminescent soft artificial muscles‍［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2022， 7（3）： 6950-6957.
	‍［111］ HAN D L， ZHANG Y J， HUANG C L， et al. Self-oscillating polymeric refrigerator with high energy efficiency‍［J］. Nature， 2024， 629（8014）： 1041-1046.
	‍［112］ WU H X， ZHU Y， YAN W Z， et al. A self-regenerative heat pump based on a dual-functional relaxor ferroelectric polymer‍［J］. Science， 2024， 386（6721）： 546-551.

材料类型	优势	挑战	使役环境	文献
介电弹性体	功率密度高，快速响应，变形较大	驱动电压往往高达几千伏，器件容易被击穿导致寿命短	水，陆，空软体机器人	‍［63］
压电聚合物	抗磁干扰，效率高，响应频率高	迟滞、蠕变，对温度更敏感	行走和飞行机器人	‍［64］
离子聚合物-金属复合材料	驱动电压低，可在有水环境和无电解液环境工作	阻塞力低	水下机器人，微米级机器人	‍［65］
电活性水凝胶	驱动电压低，可在有水环境工作	阻塞力低，工作环境需要电解液	水下机器人，微流控阀门	‍［66］
电热聚合物材料	形状可编程	需要外力作用才可可逆作动	微流控阀门	‍［58］

材料类型	驱动电压/V	阻塞力/mN	位移范围/mm	能量密度	效率	文献
介电弹性体	450	9	≈3	0.02 kJ/kg	≈26%	‍［67］
介电弹性体	3 800	N.A.	67.5	0.02 kJ/kg	≈26%	‍［68］
压电聚合物	200	N.A.	200			‍［64］
离子聚合物-金属复合材料	≈3.5	0.86	≈19	2.44 kJ/m³	2.5%~3%	‍［69］
离子聚合物-金属复合材料	≈2.5	N.A.	≈14	2.44 kJ/m³	2.5%~3%	‍［70］
电活性水凝胶	<10	N.A.	≈44			‍［71］
电活性水凝胶	6~15	N.A.	≈36			‍［66］
电热聚合物材料	≈3	N.A.	≈2			‍［72］
电热聚合物材料	≈36	677	≈5			‍［58］

工作环境	驱动材料	质量/g	运动速度	文献
爬行与行走	PVDF	0.024	20 body length/s	‍［64］
	PVDF	0.041	76 body length/s	‍［73］
	PVDF	0.058	42.8 body length/s	‍［74］
水下	DE	14.3	7.7 cm/s	‍［75］
水下	DE		31.4 cm/s	‍［76］
飞行	DE	0.155		‍［77］
飞行		35.4	5 m/s	‍［78］

[1]	Zhao Zhenlu;Wang Xiaoqun;Du Shanyi. Review of Research on Gas Retention Layer Material for Stratospheric Airship Envelope and Helium Permeation in Polymers [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2009, 30(9): 1761-1768.
[2]	Deng Zichen. ACTIVE CONTROL RESEARCH ON FLEXIBLE MECHANISMS BASED ON SUBSTRUCTURAL CONDENSATION METHOD [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 1997, 18(5): 559-562.

Recent progress on polymer-based electrically driven soft robots

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