创新点：团队提出了一种双膜策略来抑制机电不稳定性，并构建了一个双模态介电弹性体系统，实现了能量收集与驱动的双重功能。通过将该系统集成到一款机械驱动的软体机器人中，验证了其在实现运动与环境监测方面的实际应用。该研究在软体机器人、能量收集及其他需要耦合机电功能的领域中具有重要的应用前景。
关键词：介电弹性体、机电不稳定性、发电机、致动器
近年来，软体机电系统在能量收集和机器人技术领域得到了广泛的关注和研究。介电弹性体（DEs）作为一种具有潜力的软机电转换材料，因其结构简洁、高效和易于控制的特点，逐渐成为能量转换器的理想选择。DE系统的工作原理基于可变电容机制，能够实现电能与机械能之间的相互转换，这使得其在致动器（actuator）和发电机（generator）应用中具有广泛前景。然而，DE系统的广泛应用受到两个主要因素的制约：高电压操作需求和机电不稳定性（EMI）的易感性。在高电压工况下，DE 膜于释放阶段应变剧增，致使局部电荷密度攀升、电场强度飙升。此消彼长间，静电与弹性恢复力失衡加剧，电击穿、滞后、疲劳等故障接踵而至，严重削弱系统性能与可靠程度，极大限制了实际应用范畴。
图1 双模态DE系统的结构设计与工作机制
针对以上难题，鄂世举教授团队提出了一种双膜策略来抑制EMI，并构建了一个双模态DE系统，实现了能量收集与驱动的双重功能。该双膜结构引入了一个辅助电容器（DECA），通过电荷转移与主电容器（DECC）共享电荷。这一方法通过调节弹性体中静电能和弹性能的关系，以实现将造成EMI的静电力转变为为静电驱动力，进而实现对EMI的有效抑制，在提高发电能力的同时获得驱动能力（图1）。
图2 双模态DE系统的工作机制
通过对双模态DE系统中电荷转移行为的研究，揭示了驱动性能、系统内电荷转移与双膜结构内电荷转移之间的关系（图2）。DECA的驱动性能源于电荷转移过程所造成的电容变化，这依赖于双膜的机械弹性特性与电能存储能力。通过研究结构参数，如电路电容、DECA 电极直径与预拉伸比等变量，探究电荷转移过程，可实现协同增强能量收集与驱动效能。最终，具有双膜结构的双模态DE系统在电气输出性能上表现出显著的提升，峰值功率和平均功率均超过传统单模态DE发电机30%以上。并且通过高电压循环疲劳测试表明，双模态系统经万次循环仍维持 95% 电荷转移能力，耐用性极佳。
图3 软体机器人系统的表征
此外，成功地将双模态DE系统应用于一款机械驱动的机器人，该机器人能够高效地将输入的机械能转换为电能和机械能（图3），并展示了其在实现运动与环境监测方面的实际应用（图4）。该研究为开发具有更高稳定性、功能性及广泛应用潜力的先进DE系统铺平了道路，特别是在软体机器人、能量收集及其他需要耦合机电功能的领域中具有重要的应用前景。
图4 机械驱动巡逻机器人系统的示意图
浙江师范大学研究生张志远、黄温蔚为共同第一作者，浙江师范大学鄂世举教授和徐子盛副教授为共同通讯作者。
WILEY
论文信息：
Dual-Modal Dielectric Elastomer System for Simultaneous Energy Harvesting and Actuation
Zhiyuan Zhang1,2†, Wenwei Huang1,2†, Shaodi Zheng1,2, Jianbo Tan1,2, Jinzhan Cheng1,2, Jiancheng Cai1,2, Shiju E1,2*, Zisheng Xu1,2*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202410724
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期刊简介
Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。
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