介电弹性体人工肌肉Acc. Chem. Res.综述:材料创新和器件探索


【引言】

创造人造肌肉一直是科学和工程学的重大挑战之一。灵活、通用且高效的致动器的发明打开了制作新一代轻质、高效和多功能机器人的大门。当前人造肌肉技术可以实现低功率移动执行器,模拟高效和自然运动形式的机器人、自动机器人和传感器以及轻量级可穿戴技术。而且它们在生物医学设备中也有很多应用,柔韧性以及生物相容性都是是非常重要的。目前尚不清楚哪种材料最终会形成理想的人造肌肉。从形状记忆合金(SMA),到气动制动器,再到电活性聚合物(EAP)都可能实现人造肌肉目标的核心。其中,EAP是和天然生物材料最为接近的人造材料,它们包括离子注入和基于电场的致动机制。

【成果简介】

在EAP的领域中,最主要的研究方向是介电弹性体(DEs),它们应变大、断裂韧性和功率重量比与天然肌肉相近。虽然介电弹性体致动器(DEAs)在过去的20年里展现了巨大潜力。如何解决围绕DEA的核心问题,包括改善其在温度和电压方面的操作范围,为材料添加新功能,以及提高它们所依赖的组件的可靠性。

近日,加州大学洛杉矶分校裴启兵教授(通讯作者)在Acc. Chem. Res.上发表了一篇题为 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的综述文章,涵盖了该课题组和其他人在相关领域的重要研究。同时,本文还讨论了可变刚度聚合物,特别是双稳态电活性聚合物,对于软驱动器技术通常无法实现的结构应用的开放式DEA,探索了与高度柔顺和透明电极相关的滚球体育 进步。最后,文章介绍了应用前景及当前DEA技术面临的挑战,并推测可能进一步推进基于DE的人工肌肉整体的研究方向。

【图文导读】

1DEA的工作原理示意图

DEA由夹在两个柔性电极之间的弹性体组成,当施加电压时,发生电荷分离并在膜上引起静电压力,这会使薄膜变形,增加其面积并减小其厚度。

2VHB丙烯酸弹性体的驱动性能。

(a)对预拉伸薄膜进行区域扩张;

(b)在5kV恒定电压下比较未处理(RIPN)和增塑剂处理的VHB膜之间的温度依赖性应变响应。

3DEs的特征应力-应变曲线作为非预拉伸薄膜(具有原点O的实曲线)和预拉伸薄膜(O'处的虚线曲线)的机械应变或电场(在恒定电压下)的函数图

十字(×)表示介电击穿。 点(A)和(B)分别代表表观击穿场和实际击穿强度。

4独立的互穿聚合物网络(IPN)制造工艺

弹性体是预拉伸的(黑色网络)并喷涂多功能单体添加剂,然后在主机网络中聚合形成第二网络(红网)。

5化学改性弹性体在不预拉伸的情况下抑制拉入失效

(a)作为刚性,柔软和定制弹性体的拉伸比(λ)的函数的特征模量或应力(f*);

(b)VHB4905,其IPN和改性弹性体(Cx-P0)的实验应力 - 应变行为。

6导电纳米填料改善了介电常数

(a)由于填料形成的导电路径而经历电击穿的DE复合材料的图示(左); 具有受阻电渗透的封装导电填料(右);

(b)官能化铝纳米颗粒的示意图;

(c)介电常数和(d)含有特定量的铝纳米颗粒的复合材料的致动测试。

7具有Diels-Alderbonds的可变刚度聚丙烯酸酯

(a)聚丙烯酸酯通过聚合物可逆性交联实现可变刚度;

(b)模量可逆性的循环热处理;

(c)聚丙烯酸Diels-Alder VSP在不同电场下的软(PADA-4-s)和刚性(PADA-4-r)状态下的面致动应变。

8BSEP作为DE执行器

(a)基于BSEP的执行器的工作机制;

(b)使用玻璃化转变BSEP的隔膜致动器的性能。

9改善BSEP材料的机械和电介质特性

(a)玻璃化转变BSEP和(b)相变BSEP的刚度变化的图示;

(c)线性PTBA和交联的PTBA-IPN之间的模量 - 温度分布和(d)介电致动性能的比较;

(e)相变BSEP(BSxx)模量的温度依赖性;

(f)BS80-AA5和BS80在50℃下的应力 - 应变响应。

10 CNT电极的容错性

(a)尽管针刺穿了薄膜, VHB-CNT致动器表现出90%的致动应变。

(b)由于CNT的自清除效应,硅树脂CNT致动器的循环致动测试表明寿命延长。

11基于弹簧致动器的步行机器人

(a)弹簧制动器制造的示意图;

(b)在5.5kV下致动期间的双自由度(2-DOF)弹簧辊弯曲;

(c)MERbot:一种六脚机器人,带有2自由度弹簧作为支腿。

12用于微流体控制的介电弹性体阀(DEV

在(a)休息和(b)致动状态下DEV的照片;

(c,d)通过背光照明对DEV流体控制(红色水性染料)进行视觉表征。

13 BSEP设备

(a)由BSEP执行器制成的可刷新盲文面板;

(b)BSEP气动致动器(上部)的工作机构的横截面图和示出“U”,“C”,“L”,“A”(下部)的触觉面板的示意图。 比例尺为2 mm;
(c)通过切换电场开启和关闭来反转写入BSEP光子纳米复合材料。 比例尺为3 mm。

【小结】

本文综合楼近期关于DE材料、兼容电极和执行器装置的重要发展和自己课题组的探索。定制应力应变行为的新DE材料,具有更高的介电常数和可调节的刚度,改善了材料性能并拓宽了其应用范围。同时,AgNW、CNT和聚合物电解质凝胶电极实现了大而稳定的致动。作为“人造肌肉”,DE致动器已经被研究用于许多应用,包括软机器人、能量存储-发生器和人机界面。DEA在实际应用中仍然具有挑战性,虽然DEA的最大性能远远超过自然肌肉(例如,> 1 MPa应力,> 100%应变和100 Hz响应速度),但DEA的稳定运行性能指标尚未完全建立,除了操作稳定性和可靠性之外,高驱动电压也是安全问题和缺乏紧凑和有效驱动电路的主要问题。

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

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