裴启兵Science：高性能人造肌肉！
发布者：刘德桃发布时间：2022-07-08浏览次数：10
人造肌肉是实现柔性仿生机器人的关键执行部件，在2021年就已经利用人造肌肉实现了微型飞行器的飞行。人造肌肉的基本原理是在弹性体两端加上高电压，产生的电极两端产生静电吸引，这便是麦克斯韦应力，这种力会压缩中间弹性体，延展其表面。根据人造肌肉的原理，这类弹性体应该具备高弹性应变量，高介电常数，高绝缘强度和高稳定性。但是现在绝大多数弹性体难以满足上述需求，一方面这是因为大多是弹性体如硅胶具有比较很高的弹性损耗，这就导致通过静电力压缩储存在弹性体内的能量在压缩过程中就被消耗。另外一方买是由于绝大多数弹性体具有比较长的拉伸-应变平台，这就导致需要比较大的应变量才能产生足够的大的力。这两个方面的原因就会导致电机不稳定性，即在持续稳定的电压下，伴随着介电弹性体的厚度减少，电场又会因为距离的缩短而增强，进一步使得弹性体厚度减少，直至失效。
2021年表在Advance Materials上的微型飞行器基于以上问题，加州大学洛杉矶分校裴启兵团队通过设计弹性体的交联网络（PHDE），实现了在低拉伸下的高模量弹性体。利用丙烯酸丁酯组分降低弹性体的模量，利用丙烯酸降冰片酯增强弹性体的硬度。引入具有柔性短链段的聚醚类交联剂(PNPDA)代替传统高介电材料中的酯类短链交联剂，提升聚合物的可拉伸性和抗拉强度。在聚合物交联网络中加入丙烯酸，能与聚合物中的交联CN9021和PNPDA形成氢键，作为一种动态的物理交联，提升聚合物的力学性能。从其应力-应变曲线可以看到，PHDE弹性体比其他弹性体具有更高的模量，且没有拉伸-应变平台，反复压缩过程中力学性能稳定。而在电机械性能上，这种材料可以实现在高电压下190%面应变，的并且在2Hz下的交变电压下，面应变量仍然可以保持在110%。该材料的性能远超于其他介电弹性体，在人工肌肉的应用上具有良好的前景。该工作以题为“A processable, high-performance dielectric elastomer and multilayering process”发表在Science上。输出力的大小、能量密度和功率密度是人工肌肉的三大重要指标。通过测试，PHDE弹性体可以实现在2.5kV的条件下，输出0.95 N（0.4 MPa）的压力，在2Hz的交变电压下，可以输出力保持0.67 N，而在20 Hz的条件下则可以保持哦0.4 N。而在能量密度方面，2.5 KV的工作电压下，在50 g的负载可以实现35 J/Kg的能量密度，而在100 g负载条件下则可以实现88 J/Kg的能量密度。相较于其他介电弹性体，PHDE弹性体的能量密度和功率密度远高于其他弹性体。这证明了裴启兵团队设计的PHDE弹性体在压缩过程中的弹性损耗是远低于其他弹性体的。将PHDE弹性体制备成执行器可以实现抛球和机器人的跳跃。为了降低人工肌肉的工作电压，通常需要将介电弹性体与电极做成多层三明治的结构。之前最常采用的制备手段是用溶剂湿法层叠制备，但是该制备方式容易造成层状结构的缺陷而这些缺陷会导致电极之间的击穿。裴启兵团队利用紫外光聚合的方式，将单体和交联剂的混合液直接涂布，再通过紫外光固化，利用这种方法干法制备出了没有缺陷的层状结构。在十层的状态下与单层的PHDE弹性体的力学性能和电机械性能相差无几。相较于湿法制备的多层结构，干法制备的方式每层厚度更加容易调节，并且干法制备方式耗时更短更加容易实现量产。为了验证PHDE弹性体的实际应用性能，PHDE弹性体被制成相应的蜘蛛形力学执行器，在2.5 KV条件下将200 g砝码抬高了3 mm，实现了74 J/kg的能量输出密度。还将其卷曲成筒状，实现在0.5 Hz的交变电压下将100 g的负重抬高1.4 mm，能量输出密度为15.6 J/Kg。小结：通过设计弹性体交联网络的结构，利用柔性交联剂和氢键作用，实现物理交联和化学交联双重交联网络，制备出了电机械学性能优良的介电弹性体，在输出的能量密度和功率密度上远超过其他的弹性体，展现了在人工肌肉应用上广阔的应用前景。
