介電彈性體人工肌肉Acc. Chem. Res.綜述：材料創新和器件探索

【引言】

創造人造肌肉一直是科學和工程學的重大挑戰之一。靈活、通用且高效的致動器的發明打開了制作新一代輕質、高效和多功能機器人的大門。當前人造肌肉技術可以實現低功率移動執行器，模擬高效和自然運動形式的機器人、自動機器人和傳感器以及輕量級可穿戴技術。而且它們在生物醫學設備中也有很多應用，柔韌性以及生物相容性都是是非常重要的。目前尚不清楚哪種材料最終會形成理想的人造肌肉。從形狀記憶合金（SMA），到氣動制動器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實現人造肌肉目標的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場的致動機制。

【成果簡介】

在EAP的領域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動器（DEAs）在過去的20年里展現了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。

近日，加州大學洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關領域的重要研究。同時，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩態電活性聚合物，對于軟驅動器技術通常無法實現的結構應用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關的科技進步。最后，文章介紹了應用前景及當前DEA技術面臨的挑戰，并推測可能進一步推進基于DE的人工肌肉整體的研究方向。

?【圖文導讀】

圖1 DEA的工作原理示意圖

DEA由夾在兩個柔性電極之間的彈性體組成，當施加電壓時，發生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。

圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅動性能。

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（a）對預拉伸薄膜進行區域擴張；

（b）在5kV恒定電壓下比較未處理（RIPN）和增塑劑處理的VHB膜之間的溫度依賴性應變響應。

圖3 DEs的特征應力-應變曲線作為非預拉伸薄膜（具有原點O的實曲線）和預拉伸薄膜（O'處的虛線曲線）的機械應變或電場（在恒定電壓下）的函數圖

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十字（×）表示介電擊穿。 點（A）和（B）分別代表表觀擊穿場和實際擊穿強度。

圖4獨立的互穿聚合物網絡（IPN）制造工藝

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彈性體是預拉伸的（黑色網絡）并噴涂多功能單體添加劑，然后在主機網絡中聚合形成第二網絡（紅網）。

圖5 化學改性彈性體在不預拉伸的情況下抑制拉入失效

（a）作為剛性，柔軟和定制彈性體的拉伸比（λ）的函數的特征模量或應力（f^*）；

（b）VHB4905，其IPN和改性彈性體（Cx-P0）的實驗應力 - 應變行為。

?圖6 導電納米填料改善了介電常數

（a）由于填料形成的導電路徑而經歷電擊穿的DE復合材料的圖示（左）; 具有受阻電滲透的封裝導電填料（右）；

（b）官能化鋁納米顆粒的示意圖;

（c）介電常數和（d）含有特定量的鋁納米顆粒的復合材料的致動測試。

圖7 具有Diels-Alderbonds的可變剛度聚丙烯酸酯

（a）聚丙烯酸酯通過聚合物可逆性交聯實現可變剛度;

（b）模量可逆性的循環熱處理;

（c）聚丙烯酸Diels-Alder VSP在不同電場下的軟（PADA-4-s）和剛性（PADA-4-r）狀態下的面致動應變。

圖8 BSEP作為DE執行器

（a）基于BSEP的執行器的工作機制;

（b）使用玻璃化轉變BSEP的隔膜致動器的性能。

?圖9 改善BSEP材料的機械和電介質特性

（a）玻璃化轉變BSEP和（b）相變BSEP的剛度變化的圖示;

（c）線性PTBA和交聯的PTBA-IPN之間的模量 - 溫度分布和（d）介電致動性能的比較;

（e）相變BSEP（BSxx）模量的溫度依賴性;

（f）BS80-AA5和BS80在50℃下的應力 - 應變響應。

?圖10 CNT電極的容錯性

（a）盡管針刺穿了薄膜, VHB-CNT致動器表現出90％的致動應變。

（b）由于CNT的自清除效應，硅樹脂CNT致動器的循環致動測試表明壽命延長。

圖11基于彈簧致動器的步行機器人

（a）彈簧制動器制造的示意圖;

（b）在5.5kV下致動期間的雙自由度（2-DOF）彈簧輥彎曲;

（c）MERbot：一種六腳機器人，帶有2自由度彈簧作為支腿。

圖12 用于微流體控制的介電彈性體閥（DEV）

在（a）休息和（b）致動狀態下DEV的照片;

（c，d）通過背光照明對DEV流體控制（紅色水性染料）進行視覺表征。

圖13 BSEP設備

（a）由BSEP執行器制成的可刷新盲文面板;

（b）BSEP氣動致動器（上部）的工作機構的橫截面圖和示出“U”，“C”，“L”，“A”（下部）的觸覺面板的示意圖。 比例尺為2 mm；
（c）通過切換電場開啟和關閉來反轉寫入BSEP光子納米復合材料。 比例尺為3 mm。

?【小結】

本文綜合樓近期關于DE材料、兼容電極和執行器裝置的重要發展和自己課題組的探索。定制應力應變行為的新DE材料，具有更高的介電常數和可調節的剛度，改善了材料性能并拓寬了其應用范圍。同時，AgNW、CNT和聚合物電解質凝膠電極實現了大而穩定的致動。作為“人造肌肉”，DE致動器已經被研究用于許多應用，包括軟機器人、能量存儲-發生器和人機界面。DEA在實際應用中仍然具有挑戰性，雖然DEA的最大性能遠遠超過自然肌肉（例如，> 1 MPa應力，> 100％應變和100 Hz響應速度），但DEA的穩定運行性能指標尚未完全建立，除了操作穩定性和可靠性之外，高驅動電壓也是安全問題和缺乏緊湊和有效驅動電路的主要問題。

文獻鏈接：Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations（Acc. Chem. Res.，2019，DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00516）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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