Future robotic systems will be pervasive technologies operating autonomously in unknown spaces that are shared with humans. Such complex interactions make it compulsory for them to be lightweight, soft, and efficient in a way to guarantee safety, robustness, and long-term operation. Such a set of qualities can be achieved using soft multipurpose systems that combine, integrate, and commute between conventional electromechanical and fluidic drives, as well as harvest energy during inactive actuation phases for increased energy efficiency. Here, we present an electrostatic actuator made of thin films and liquid dielectrics combined with rigid polymeric stiffening elements to form a circular electrostatic bellow muscle (EBM) unit capable of out-of-plane contraction. These units are easy to manufacture and can be arranged in arrays and stacks, which can be used as a contractile artificial muscle, as a pump for fluid-driven soft robots, or as an energy harvester. As an artificial muscle, EBMs of 20 to 40 millimeters in diameter can exert forces of up to 6 newtons, lift loads over a hundred times their own weight, and reach contractions of over 40% with strain rates over 1200% per second, with a bandwidth over 10 hertz. As a pump driver, these EBMs produce flow rates of up to 0.63 liters per minute and maximum pressure head of 6 kilopascals, whereas as generator, they reach a conversion efficiency close to 20%. The compact shape, low cost, simple assembling procedure, high reliability, and large contractions make the EBM a promising technology for high-performance robotic systems.

未来的机器人系统将成为在与人类共享的未知空间中自主运行的普遍技术。这种复杂的相互作用使得它们必须轻巧、柔软且高效，以确保安全、稳健和长期运行。使用软多用途系统可以实现这样的一组品质，这些系统在传统机电和流体驱动之间进行组合、集成和交换，以及在非活动驱动阶段收集能量以提高能源效率。在这里，我们提出了一种由薄膜和液体电介质制成的静电致动器，结合刚性聚合物加强元件，形成能够进行平面外收缩的圆形静电波纹管 (EBM) 单元。这些单元易于制造，可以排列成阵列和堆叠，它可以用作可收缩的人造肌肉，用作流体驱动软机器人的泵，或用作能量收集器。作为一种人造肌肉，直径为 20 至 40 毫米的 EBM 可以施加高达 6 牛顿的力，提升超过自身重量一百倍的负载，收缩超过 40%，应变率超过每秒 1200%，具有带宽超过 10 赫兹。作为泵驱动器，这些 EBM 产生高达 0.63 升/分钟的流速和 6 千帕的最大压头，而作为发电机，它们的转换效率接近 20%。紧凑的形状、低成本、简单的组装程序、高可靠性和大收缩使 EBM 成为高性能机器人系统的有前途的技术。或作为能量收集器。作为一种人造肌肉，直径为 20 至 40 毫米的 EBM 可以施加高达 6 牛顿的力，提升超过自身重量一百倍的负载，收缩超过 40%，应变率超过每秒 1200%，具有带宽超过 10 赫兹。作为泵驱动器，这些 EBM 产生高达 0.63 升/分钟的流速和 6 千帕的最大压头，而作为发电机，它们的转换效率接近 20%。紧凑的形状、低成本、简单的组装程序、高可靠性和大收缩使 EBM 成为高性能机器人系统的有前途的技术。或作为能量收集器。作为一种人造肌肉，直径为 20 至 40 毫米的 EBM 可以施加高达 6 牛顿的力，提升超过自身重量一百倍的负载，收缩超过 40%，应变率超过每秒 1200%，具有带宽超过 10 赫兹。作为泵驱动器，这些 EBM 产生高达 0.63 升/分钟的流速和 6 千帕的最大压头，而作为发电机，它们的转换效率接近 20%。紧凑的形状、低成本、简单的组装程序、高可靠性和大收缩使 EBM 成为高性能机器人系统的有前途的技术。并以每秒超过 1200% 的应变率和超过 10 赫兹的带宽实现超过 40% 的收缩。作为泵驱动器，这些 EBM 产生高达 0.63 升/分钟的流速和 6 千帕的最大压头，而作为发电机，它们的转换效率接近 20%。紧凑的形状、低成本、简单的组装程序、高可靠性和大收缩使 EBM 成为高性能机器人系统的有前途的技术。并以每秒超过 1200% 的应变率和超过 10 赫兹的带宽实现超过 40% 的收缩。作为泵驱动器，这些 EBM 产生高达 0.63 升/分钟的流速和 6 千帕的最大压头，而作为发电机，它们的转换效率接近 20%。紧凑的形状、低成本、简单的组装程序、高可靠性和大收缩使 EBM 成为高性能机器人系统的有前途的技术。