编者按：本文谈两件事——电液人工肌肉已经能做到什么，以及它适合做什么。起点是一篇 2026 年的 Science Robotics 论文，落点是我们正在进行的仿生变体滑翔机。文中数据均来自公开论文；其中 LAZA、SEHA 综述与 SEZA 三篇的正文表格受出版商访问限制未能获取，相关表述只依据公开摘要与可核实元数据，未引用其内部数值。面向组内学生，也面向关注这一方向的朋友。
一、EFM 论文：机器第一次长出了纤维状肌肉
2026 年 3 月，MIT 媒体实验室 Tangible Media 团队与意大利巴里理工大学合作，在 Science Robotics 发表 Electrofluidic fiber muscles（电液纤维肌肉，EFM）[1]。
论文里有一句话值得反复读：驱动器之于机器人，如同肌肉之于人体。
几乎所有动物的肌肉都由纤维束构成——模块化、可标度、可紧密集成，人体约一半重量是肌肉。而几乎所有机器人都由伺服电机驱动——笨重的圆柱体，要输出旋转以外的任何运动，就必须加装滑轮、腱绳、连杆、齿轮。作者把这层不适配称为对柔顺性、集成度与灵巧性的根本限制。
EFM 交出的成绩单如下：
| 指标 | 水平 |
|---|---|
| 直径 | 1—2 mm（纤维） |
| 平均功率密度 | ≥50 W/kg（与哺乳动物骨骼肌同量级） |
| 收缩应变 | 约 20% |
| 响应时间 | 0.3 s，四泵并联可缩至 0.13 s |
| 束级能力 | 22 g 肌肉束提起 4 kg（200 倍自重），行程 30 mm |
| 噪声 | 无运动部件，完全静音 |
| 集成方式 | 可编织为柔性”织物肌肉”，驱动机械臂弯曲 40°，柔顺到能与人类握手 |
其结构是拮抗式的：一根电荷注入式电液动力学（EHD）纤维泵[2]，两端各接一只细 McKibben 作动器，充入介电流体后构成封闭回路，不再需要外部液源。充液时预加的偏压（最优约 75 kPa）有三个作用：让拮抗侧充当另一侧的储液器、把可用电压抬高到 200% 以避开空化、并使工作点落在 McKibben 压力—行程曲线的陡峭段，从而在给定泵压下把应变增至三倍。
一句话概括：直径两毫米、用电驱动、安静、有力，还能织进布里。
于是第一个问题自然出现——能拿它来扇翅膀吗？
二、扑翼驱动的三个问题：只有一个能靠工程优化解决
我们的扑翼研究一贯强调两点：仿生，以及低噪声。要客观评估 EFM 的适用性，得先把现有方案的困境分层说清。现有扑翼飞行器基本由”电机 + 减速齿轮 + 连杆”构成，由此带来的三个问题性质并不相同。
其一是传动链笨重，这是工程问题。 机械传动链在小型化过程中损耗占比急剧上升，微型样机上机构重量常与电机相当。但这个问题原则上可以通过工程手段改善：提高传动效率、改用直驱拓扑、一体化结构设计、采用更轻的材料，都能压低它的代价。
其二是运动学仿生失真，这是拓扑问题。 鸟类扑翼是多自由度三维运动：下拍时翼面展开并伴随扭转，上拍时内收，翼尖轨迹近似”8”字。电机输出单一旋转自由度，经连杆只能实现固定的、近于平面的往复运动。我们在做的是复现运动，不是复现肌肉。这一层损失很难靠把连杆做得更精妙来消除，因为拓扑本身就限定了可达的运动空间。
其三是噪声，这是声源本质问题。 电机有电磁噪声（转矩脉动、槽谐波），齿轮有啮合噪声与磨损后异响，频谱特征相对稳定，在几十到几百赫兹上清晰可辨。对于需要不惊扰生物的野外观测，或有低声学特征要求的平台，这不是”做得更安静一点”的问题，而是声源类型本身不满足要求。
扑翼的困境要分三层：传动链是工程问题，运动学是拓扑问题，噪声是声源问题。只有第一层能靠把机构做得更精妙来解决。
人工肌肉要闯的第一关，是扑翼本身的门槛：
| 门槛 | 小型扑翼的需求 |
|---|---|
| 扑翼频率 | 10—25 Hz，微型可达 50 Hz 以上 |
| 持续功率密度 | 100—300 W/kg |
| 系统能量效率 | >20% |
| 力密度 | 数十 N/kg |
| 行程 | 10—30% |
这里需要留意一件事：骨骼肌的功率密度约 50 W/kg，本身就低于持续飞行的需求。 鸟类能飞，靠的是弹性储能回收、肌腱的弹簧作用以及非定常气动增益，而不是单块肌肉的功率密度。而柔性变形通过什么机制改变分离流与涡结构，本身仍是一个需要因果回答的问题[8]。
三、软驱动候选技术横评
把主要的人工肌肉方案逐一对上表，结论相当残酷。
| 技术 | 力密度 | 频率 | 效率 | 形态 | 噪声 | 致命短板 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 电机 + 齿轮（基准） | 高 | ✅ | ✅ | ❌ 刚体 | ❌ 齿轮噪声 | 传动链与噪声 |
| 电机直驱（无齿轮） | ✅ | ✅ | ✅✅ | ❌ 刚体 | ⚠️ 电磁噪声 | 小尺寸下扭矩密度不足 |
| 形状记忆合金 SMA | ✅✅ 约 40 N/g | ❌ <0.5 Hz | ❌ | ✅ 丝状 | ✅ | 冷却热时间常数 >10 s |
| 液晶弹性体 LCE | ❌ | ❌ | ❌ | ⚠️ | ✅ | 热驱动，需 100—200 ℃ |
| 介电弹性体 DEA | ❌ 出力小 | ✅✅ 可达 kHz | ⚠️ | ❌ 膜状 | ✅ | 力不足，膜片难放大集成 |
| 碳纳米管纱线肌肉 | ⚠️ | ⚠️ | ⚠️ | ✅ 纤维 | ✅ | 50 W/kg 仅在电解液中可达 |
| 离子聚合物 IPMC | ❌ | ❌ | ⚠️ | ✅ | ✅ | 力矩级，太小 |
| 气动人工肌肉（传统 McKibben） | ✅ | ⚠️ | ⚠️ | ✅ 纤维 | ❌ 泵阀噪声 | 需外接气源，反而更吵 |
| 电液驱动家族（HASEL/LAZA/SEZA/EFM） | ✅✅ | ✅—⚠️ | ⚠️ 依路线与工况 | ✅ | ✅ | 效率须分路线讨论 |
四点补充说明，以免误读这张表。
- SMA 与 LCE 死于同一个物理量：热时间常数。二者靠加热驱动、靠散热复位，这个过程以秒计，而扑翼需要毫秒级往复。EFM 论文在综述替代技术时也明确指出 SMA 的冷却时间常数超过 10 s[1]。
- DEA 是过去二十年的”金标准”，速度快、应变大，但它是膜片形态、静电面压力小导致出力不足，放大到飞行器所需的紧凑空间时集成困难。EFM 论文对 DEA 的评价同样是难以放大、膜状形态使集成复杂[1]。
- 传统气动 McKibben 是一条反向的教训：McKibben 肌肉本身性能不差，但它需要外接气泵与电磁阀——体积、重量，以及最重要的噪声。EFM 的全部设计动机，正是用毫米级纤维泵取代这团外接设备[1]。
- CNT 纱线的电解液条件在论文中被明确标注为其达到 50 W/kg 的前提[1]。飞行器不可能泡在电解液里，这条基本出局。
排除法走完，电液驱动家族几乎是唯一的幸存者：它同时满足高力密度、静音、无传动链、可纤维化四项。
四、电液家族内部：LAZA 已经飞起来，EFM 仍在台架
电液驱动家族内部还有分支，这一点必须分清，否则容易得出过于悲观的结论。
HASEL（液压放大自愈静电驱动器）由 Acome 等人发表于 Science（2018）[4]，是”静电驱动 + 液体传力”路线的代表。LAZA（液体放大拉链式作动器）把这条路线直接推上了飞行器：Helps 等人以 Liquid-amplified zipping actuators for micro-air vehicles with transmission-free flapping 为题发表于 Science Robotics（2022）[3]，这是目前公开文献中唯一以”无传动链扑动”实现微飞行器飞行的电液方案，已被引 80 余次。需要说明的是，该文正文性能表格受访问限制未能获取，本文因此不引用其具体频率与力值。但它的定位是清楚的：原理已经跑通。
2026 年，同一团队（Rossiter、Garrad 等）在 IEEE RoboSoft 发表后续工作 SEZA[6]，摘要中给出一条极具工程价值的论断：介电液体拉链式作动器在厘米尺度性能优秀，一旦缩小尺寸便迅速劣化，性能与尺度内在耦合。 其解法是用织物电极加串联弹性单元，把电极所需的刚度与导电性解耦。
这条尺度规律在后面会变得重要：厘米尺度，恰恰是电液作动器的舒适区。
五、电液真正吃力的地方
先承认它的不利之处。静电力密度（麦克斯韦应力）为
\[p = \tfrac{1}{2}\varepsilon_0\varepsilon_r E^2\]液体相对介电常数只有 2—3，电场强度 $E$ 又被介质击穿卡住（硅橡胶等约在数十 MV/m 量级）。代入可得电静压只有几十 kPa，而肌肉主动应力约 300 kPa。数量级的差距意味着必须用液压放大与拉链式机构换取力，而放大意味着搬动更多液体，搬液体就要付出粘性代价。
Poiseuille 定律给出粘性压降
\[\Delta P = \frac{128\,\mu L\,Q}{\pi d^{4}}\]四次方反比是问题的核心：通道做到毫米级，摩擦阻力便迅速吞噬输出。EFM 所走的 EHD 泵路线另有一项专属代价——靠离子在液体中拖拽产生流动，而液体本身有有限电导，输入功率中相当一部分变成欧姆热。论文也承认，对 EHD 机理的理解仍有限[1]。
但这里必须把话说准，否则会得出错误的选型结论。<2.5% 是 EFM 选择电荷注入式 EHD 泵这一条路线的代价，不是电液驱动家族的通论。 2026 年 Advanced Functional Materials 出现了首篇系统综述 Soft Electrohydraulic Actuators[5]，把 HASEL、electro-ribbon、电液拉链式统一为 SEHA（软电液驱动器），其摘要列出的共性优势包括高响应速度、高力密度、多样驱动模式、静音、低功耗与低发热。两条子路线需要分开讨论：
| 子路线 | 代表 | 换能机理 | 效率特征 |
|---|---|---|---|
| 静电拉链式 | HASEL / LAZA / SEZA | 电容储能 + 液体放大 | 稳态保持几乎不耗电，能量回收潜力高 |
| 电荷注入 EHD 泵式 | EFM | 离子拖拽液体 | 泵效率 <3%，欧姆热为主 |
把特定路线、特定工况下的效率代价当成整条技术路线的天花板，是选型时最容易犯的错误之一。
接下来是全文最关键的一条判据。上述损耗有一个共同性质：它们都是速度的函数。粘性耗散正比于 Q²，弹性迟滞与涡流类损耗同样随速度上升，其余损耗近似按周期固定。于是当动作变慢，平均损耗功率趋于零，只剩下热力学与”棘轮”那一层地板。翻译成工程语言：
高频扑翼（每秒数十次往复） → 电液一头撞上"粘性 + 欧姆"的物理地板
慢速变体（几十秒动作一次） → 几乎绕开地板，且保持不动时电容式结构不耗电
同一套物理，在扑翼上显得笨拙，在变体飞行上恰好处于最有利的位置。这不是巧合。
六、变体滑翔机：把每一项短板变成无关项
我们课题组正在研制仿生变体滑翔机。它没有扑动机构，只有两类动作——伸展机翼与调整尾翼，研究的核心问题是通过改变翼面形状进行抗扰动飞行。
把需求逐条对准电液驱动的能力，会出现一次罕见的吻合：
| 我们的需求 | 电液驱动 | 匹配度 |
|---|---|---|
| 动作频率 <1 Hz（变体而非扑动） | 准静态下粘性损耗趋零 | ✅✅ 频率短板直接消失 |
| 到位后长时间保持弯度 | 电容式，维持力不需维持功率 | ✅✅ 效率短板大幅缓解 |
| 厘米至分米级构件 | LAZA/SEZA 的厘米尺度高性能区间 | ✅✅ 尺度规律站在我们这边 |
| 分布式、多点位驱动 | 纤维与薄膜可嵌入蒙皮，束数即力 | ✅✅ 电机的集中驱动做不到 |
| 低噪声 | 无齿轮、无摩擦副、无阀 | ✅✅ 符合声学要求 |
| 阵风下翼面被动顺应 | 结构本征柔顺、可反向驱动 | ✅ 与电机的本质差异 |
| 持续功率密度 100—300 W/kg | 骨骼肌量级 50 W/kg | ⚠️ 已不再是约束（无扑动） |
| 扑翼所需 10—25 Hz | 0.13—0.3 s 响应 | ❌ 不再需要 |
变体滑翔机把电液驱动的每一项短板变成了无关项，把它的每一项长板变成了必需项。
还有一重支持来自一条 2026 年的预印本。爱丁堡大学团队（Cook、Micklem、Dong、Yang、Mistry、Giorgio-Serchi）研究的是水下软体机器人，但思路与我们完全同构[7]：
软变体翼的连续变形本身就是传感器——弯度突变直接反映来流变化。用电子皮肤测量翼面曲率，把曲率作为一路本体感知信号送入扰动观测器（EKF），在线反演迎角与阵风，再用逆升力模型解出应当保持的参考弯度并跟踪。
其给出的结果是：模型对曲率的预测误差 RMSE 约 0.034 rad（约 2°）；在 1-cos 型阵风下，升力误差从 0.110 N 降至 0.073 N，约降三分之一；阶跃 ±5° 迎角扰动在作动器未饱和的范围内可被完全抵消。作者明确指出，抑制不彻底的原因是作动器带宽——这是设计约束，而不是物理否定。
这条”变弯度 → 曲率感知 → 扰动反演 → 变体抑制”的闭环，正是我们希望把翼面形状调整从单纯的执行动作，升级为感知与控制统一媒介的路线图。
不过也要承认边界：这是一项水下结果，且只有一个自由度。迁移到气动需要重做介质密度、气动力辨识与标定，多模态变体也需要自行建模与验证。它支持的是方向判断，不能当作”电液已经能做气动变体”的证据。
七、三种”免费”：磁场、钩子与电场
最后回到那个最根本的问题：生物肌肉效率很高，为什么人工驱动显得低？
答案不在材料优劣，而在“谁在免费出力”这一物理结构上。三种系统在这一点上惊人地同构。
电机靠”免费的磁场”。 永磁体持续提供磁通而不消耗电能，输入电流只需承担产生扭矩的部分，铜损可以做到很小——这是电机 90% 以上效率的来源。磁场是不要钱的。
肌肉靠”免费的钩子”。 肌动蛋白与肌球蛋白构成的是分子棘轮：横桥一旦钩住，就能在附着期间零能耗地承重；ATP 只花在把钩子解开并复位上。化学能花在改变，不花在扛住。
电容式电液靠”免费的电场”。 一只维持电压的理想电容没有电流，因此维持静电力不需要维持功率。这与肌肉的”钩住不耗能”是同一条物理，也与电机永磁体”不耗电维持场”属于同一类便宜。
三者的差别被压缩到了同一个地方：做功的那一程。电机在移动中损失于铜损与铁损；肌肉在改变长度中损失于横桥循环；电液在移动中，必须把功挤过又细（∝1/d⁴）又会漏电（欧姆热）的液体通道。
顺带说明，肌肉的”高效”也有它的边界：约 20—25% 是相对代谢的峰值效率，在最慢和最快收缩时都会趋近于零（力与速度之间存在折中），且其功率密度明显不如电机。所谓仿生，从来不是全面超越，而是取其在特定工况下的结构性便宜。
电机靠”免费的磁场”，肌肉靠”免费的钩子”，电容式电液靠”免费的电场”——三者保持姿势都很省，真正拉开差距的是”移动”这一程。而电液的移动要穿过又细又漏的液体。
八、技术定位与时间窗：材料壁垒会下降，系统壁垒不会
给关注落地的读者一个尽量客观的判断。
成熟度：电液驱动家族整体处于原理验证与样机阶段。静电拉链式一支已有无传动链扑动的飞行演示[3]；EFM 一支已完成束级提重、织物肌肉与机械臂演示[1]，但仍属台架与系留阶段。目前没有商业化产品。
真正的壁垒按难度排序：
- 介电流体体系——当前主流依赖氟化液（如 3M Novec 7100），单一供应商、环保与供应风险并存；非氟化替代已有报道，性能与兼容性仍待验证[1]。
- 液密封装与长期循环可靠性——毫米级封闭回路在数千伏与偏压下的寿命与渗漏控制。
- kV 级高压电源的功率密度与安全性——工程问题，但直接决定系统重量。
- 本征带宽——决定它能做什么、不能做什么[7]。
- 系统集成：作动器、柔性本体、本体感知与控制算法的一体化。
我的判断是：第 1—4 项是材料与硬件门槛，会随时间下降；第 5 项是系统与控制门槛，不会自动消失。 而感知—估计—控制一体化，恰好是控制方向研究组的天然位置。这也是我们选择以”变体滑翔机 + 本体感知 + 抗阵风控制”切入，而不是去做材料的原因。
时间窗：在变体与柔性面驱动这一类应用（低频、需保持、分布式、要求安静）上，电液驱动已经具备可研究、可验证的条件；在高频扑动主驱动上，仍需 EHD 效率或作动器架构层面的突破。
九、结语：效率不是原罪，工况才是判据
回到开头那根两毫米的纤维。它证明了三件事：安静的、有力的、可以织进结构里的电驱动肌肉，已经从设想变成实物[1]。
它也留下了一条方法论。本文的因果链其实只有一条：速度决定损耗，损耗决定工况适配，工况决定技术选型。 把特定路线在特定工况下的代价当作该路线的固有天花板，就会错过它在另一类工况上的结构性优势——我们在第五节已经犯过一次这样的误判，并在此明确记录。
给学生的一句提醒与此有关：不要把”样机飞起来了”当作机制已被解释。这一方向真正需要回答的是——在什么频率与载荷范围内，弯度变化通过什么机制改变了气动力；曲率信号对迎角的估计误差有多大、在什么条件下失效；作动器带宽给控制带宽设下的上限在哪里。
对关注这一方向的朋友，判断也可以压缩成一句话：电液人工肌肉的价值不在于比电机更有力，而在于它能待在电机待不住的地方——安静、柔顺、分布式，并且可以长时间保持而不耗电。
竞争的最终分野，不在谁更有力，而在谁把”移动”的次数减到最少。
参考资料
- Afsar O K, Pupillo G, Vitucci G, et al. Electrofluidic fiber muscles. Science Robotics, 2026, 11: eady6438. DOI: 10.1126/scirobotics.ady6438.
- Smith R, et al. Fiber pumps for wearable fluidic systems. Science, 2023, 379: 1327—1332.（EHD 纤维泵的源头）
- Helps T, Romero C, Taghavi M, et al. Liquid-amplified zipping actuators for micro-air vehicles with transmission-free flapping. Science Robotics, 2022, 7: eabi8189. DOI: 10.1126/scirobotics.abi8189.
- Acome E, Mitchell S K, Morrissey T G, et al. Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators with muscle-like performance. Science, 2018, 359: 61—65.
- Soft Electrohydraulic Actuators（综述）. Advanced Functional Materials, 2026. DOI: 10.1002/adfm.76609.（SEHA 统一框架；正文受付费墙限制）
- White R, Rossiter J, Garrad M. Towards miniaturisation of dielectrophoretic liquid zipping actuators with series-elastic fabric electrodes. IEEE RoboSoft, 2026. DOI: 10.1109/robosoft67810.2026.11522887.
- Cook T, Micklem L, Dong H, Yang Y, Mistry M, Giorgio-Serchi F. Gust Estimation and Rejection with a Disturbance Observer for Proprioceptive Underwater Soft Morphing Wings. arXiv:2602.04438, 2026.
- Tian Y, Pan M, Yin H, et al. Experimental Investigation of the Kinematic Characteristics and Aerodynamic Performance of Insect-pterostigma-inspired Flexible Wings. Journal of Bionic Engineering, 2026. DOI: 10.1007/s42235-026-01002-9.
阅读顺序建议：先读 [1]（其引言的替代技术表是一份极好的入门综述），再读 [7]（方法与本文第六、八节直接相关），需要追技术谱系时再读 [3][4][5][6]；[8] 为校内可对标与可合作的柔性翼气动工作。文中肌肉 50 W/kg、电静压与肌肉主动应力（约 300 kPa）等对比为量级参考，不属同一实验条件下的严格比较。
