SmartMat|综述：介电弹性体人造肌肉材料的发展与软体机器人应用
学术
科技
2024-09-20 11:13
天津
Yuxuan Guo, Qicong Qin, Ziqing Han, Roshan Plamthottam, Mason Possinger, Qibing Pei. Dielectric elastomer artificial muscle materials advancement and soft robotic applications. SmartMat. 2023; 4:e1203.
https://doi.org/10.1002/smm2.1203
![]()
识别二维码或点击左下角“阅读原文”访问全文
传统的机器人系统是用刚性材料建造的，以处理大力量和预定的过程。然而，软机器人是一个新兴领域，旨在开发能够执行不可预测环境任务的适应性机器人和缩小人与机器之间差距的生物相容性设备。介电弹性体(DEs)已经成为一种模仿天然肌肉的特性和性能的软驱动技术，使其成为软体机器人的有吸引力的材料选择。然而，传统的DE材料受到机电不稳定性(EMI)的影响，这降低了它们的性能并限制了它们在软机器人中的应用。本文从材料的角度讨论了人造肌肉的关键创新，然后调查了它们在软机器人技术中的代表性演示。具体来说，我们介绍了通过抑制EMI实现大应变、快速响应和高能量密度的DE材料的改进。此外，我们还研究了在制动器中允许可变刚度和自愈能力的材料。最后，我们回顾了介电弹性体致动器(DEA)在软机器人中的应用，包括自动化、操纵、运动和人机交互四大类。
图 1. (A) DEA的工作机制。(B)双轴预拉伸VHB薄膜平面驱动试验的插图(上)和照片(下)。值得注意的是，非活动区域(阴影)比活动区域(实灰色)大得多。当活动区域在电压偏置下在平面内膨胀时，由于预拉伸产生的高张力，非活动区域可以收缩而不会起皱，从而可以精确测量大的平面应变(C)仅在驱动方向预拉伸的VHB带材的线性应变试验。由于在垂直方向上缺乏预应变，弹性体会发生严重的屈曲。Copyright 2000, The American Association for the Advancement of Science.图 2. (A)丙烯酸IPN膜的合成。首先，丙烯酸弹性体网络(黑色)高度预拉伸到外部支撑框架。接下来，将多功能单体添加剂添加到弹性体中并随后聚合以形成支撑网络(红色)。最后，允许薄膜在零外部应力的情况下松弛，得到的独立薄膜保留了一部分初始预应变(B)零偏置电压下的VHB-poly(TMPTMA) IPN薄膜，(C)在420 V/µm下，面积应变为300%。Copyright 2007, IOP Publishing.
图 3. (A)硅IPN薄膜的制造工艺示意图。(a) RTV和HTV有机硅在溶剂中混合，滴铸在玻璃基板上。(b)使溶剂在室温下蒸发，固化RTV硅胶主体网络。(c)将部分固化的硅胶从基材上剥离。(d)薄膜双向预拉伸至100%。(e)随后将HTV网络固化，形成IPN。(f)完全固化的薄膜松弛(B)纯RTV有机硅(HSIII)和不同HTV含量的IPN有机硅的线性应变测试。(C) HSIII致动器和具有代表性的IPN致动器的面积应变。Copyright 2013, IOP Publishing.
图 4. (A)带有20个致动器的10层PHDE堆叠照片(B)不同浓度交联剂(丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯(PNPDA)或1,6己二醇二丙烯酸酯(HDDA))下PHDE、未预拉伸VHB 4905和双峰网络丙烯酸弹性体的应力-应变行为。没有交联剂的丙烯酸弹性体(PNPDA 0和VHB 4905)表现出很长的稳定期，并且容易发生EMI。(C)电致致膜片驱动器由PHDE制成，300%双轴预拉伸VHB 4905，以及具有不同浓度PNPDA的双峰网络丙烯酸弹性体。(D)扫描电子显微镜(SEM)图像显示干堆叠PHDE多层材料的横截面显示无缝层合。(E)单层和10层PHDE薄膜致动器的电致动。(F)单层和10层PHDE致动器在3.5 kV下的频率响应。Copyright 2022, The American Association for the Advancement of Science.图 5. BSEP的双稳态驱动周期(从A到D)示意图。Copyright 2022, John Wiley & Sons.
图 6.(A)玻璃化转变BSEP和(B)相变BSEP刚度变化过程中的聚合物网络示意图。Copyright 2019, American Chemical Society.(C)线性PTBA和交联PTBA-IPN的存储模量随温度的变化。PTBA-IPN在转变后表现出更稳定的模量，但转变温度范围仍然很宽。Copyright 2012, John Wiley & Sons.(D)加入不同SA量的相变BSEP的存储模量随温度的变化。与玻璃化BSEP相比，相变BSEP的转变范围要窄得多。Copyright 2016, American Chemical Society.
图 7. 固体柔性电极用于DEA。(A)漆刷碳脂。Copyright 2007,IOP Publishing.(B)涂抹在石墨粉上。Copyright 2009, SPIE Press.(C)喷SWNT.Copyright 2008, John Wiley & Sons.(D)转移的AgNW SEM图。Copyright 2012, John Wiley & Sons.图 8. (A)带有SWNT电极的DEA自清过程示意图。(B)由预拉伸VHB 4905和SWNT电极制成的平面致动器。（C,D）虽然在使用SWNT电极的VHB执行器上产生了缺陷，但它仍然产生了80%的面积应变(E)执行器的电流-电压曲线为三个驱动周期。第一个周期的噪声电流尖峰对应于自清除过程。Copyright 2008, John Wiley & Sons.(F)带SWNT电极的预拉伸硅胶弹性体的循环驱动试验。在自清除过程中，驱动应变不稳定。上图显示了自清除后的硅胶致动器。Copyright 2013, Royal Society of Chemistry.图 9. (A)衬底上沉积的SWNT电极示意图和(B)衬底上沉积的SWNT/WPU双层电极示意图。WPU穿透SWNT网络，覆盖在SWNT网络的内外表面。(C)带有SWNT和SWNT/WPU电极的预拉伸VHB薄膜的循环驱动试验。驱动试验在0.05赫兹的3千伏方波电压下进行。Copyright 2021, John Wiley & Sons.图 10. DEA的配置。(A)堆积的DEA。(B)卷制DEA。(C)卷式DEA。(D)气球DEA。DEA，介电体执行器。
图 11. (A)一个扳手腕机器人和(B)它的工作机制。Copyright 2007, IOP Publishing.(C, D)拮抗性人工手臂。Copyright 2016, Elsevier.(E, F)完全柔软的人造肌肉举起仿制的人类手臂骨骼。Copyright 2019, National Academy of Sciences.图 12. (A)介电弹性体最小能量结构(DEMES)。Copyright 2007, AIP Publishing.(B)能够灵活捏的DEA手指。Copyright 2017, AIPPublishing.(C)具有刚性纤维的DEA，用于多功能夹持。Copyright 2015, John Wiley & Sons.图 13. (A)多自由度步行机器人。Copyright 2004, IOP Publishing.(B)无系绳软机械昆虫。Copyright 2019, The American Association for the Advancement of Science.(C, D) DEA拍打翅膀。Copyright 2015, Springer Nature. (E) DEA飞行机器人能够控制飞行。Copyright 2019, Springer Nature.(F)自主动力深海游泳机器人。Copyright 2021, Springer Nature.图 14. (A)带有BSEP表面的多行可刷新盲文显示器。Copyright 2012, John Wiley & Sons.(B)利用焦耳加热和气动驱动的低压紧凑型可刷新盲文显示器。驱动机构原理图(右上)和4×4像素显示器演示(右下)。Copyright 2019, American Chemical Society.图 15. (A)手指软DEA触觉显示。Copyright 2008, IEEE.(B)薄膜晶体管开关柔性DEA触觉显示器。Copyright 2017, John Wiley & Sons.(C)可穿戴式触觉装置。Copyright 2020 John Wiley & Sons.
3
作者简介
![]()
裴启兵，美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院教授，机械与航空航天工程系副教授。他专注于电子、机电和光子器件的非功能性聚合物，在同行评审的期刊上发表了约220篇论文，并获得了45项美国专利。他在南京大学获得化学学士学位，在中国科学院化学研究所获得化学博士学位。他曾在UNIAX(杜邦显示器)和SRI International工作。他是SPIE的研究员，ACS, MRS, IEEE的成员，几个顶级材料期刊的顾问委员会成员，并获得了SPIE颁发的2023智能结构和材料终身成就奖。
点击“阅读原文”浏览在线文章
