研究背景
介电弹性体因其大驱动应变、快速响应、高能量密度和低噪音的综合特性，被广泛研究并应用于人造肌肉领域。然而，如何规模化制备出兼具低驱动电压（数百伏特）和高机械输出的介电弹性体驱动器仍是一大挑战，这极大地限制了其更广泛的应用。
文章概述
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202411801
介电驱动软体鱼工作视频：
图文导读
首先，研究人员选用PHDE材料制备了10μm厚的超薄膜，并验证了其在低于1kV驱动电压下的驱动性能。通过优化干堆叠方法，将这些超薄膜堆叠成介电弹性体驱动器，实现了低电压高输出的目标。图1c展示了一个8cm×12cm、含25个M介电弹性体驱动器的十层PHDE超薄膜堆叠，证明了干堆叠过程的高可扩展性。能量密度测试显示，超薄膜多层介电弹性体驱动器在800V低电压下达到50J/kg，超越了自然肌肉和其他报道的低电压驱动介电弹性体驱动器。
图1：大面积、可扩展的低电压高输出性能的介电弹性体驱动器；(a) 低驱动电压但高输出性能的M介电弹性体驱动器示意图；(b) 在隔膜上测量的10μm和30μm PHDE薄膜的静态驱动，使用碳脂作为顺应性电极；(c) 8cm×12cm、含25个驱动器的十层PHDE超薄膜堆叠照片；(d) 使用不同材料的介电弹性体驱动器的能量密度比较，水平虚线表示自然肌肉的最大能量密度40J/kg。
随后，研究人员通过优化干堆叠方法制备超薄膜多层介电弹性体驱动器。他们先在玻璃和PET基板上涂覆并固化PHDE薄膜，然后喷涂碳纳米管形成图案化电极，再喷涂含有未固化PHDE前体溶液的粘结层。通过真空压合和UV固化，将各层薄膜粘合在一起，最终制成十层介电弹性体驱动器。图2b展示了超薄膜多层介电弹性体驱动器的横截面光学和SEM图像。通过优化粘结层前体溶液浓度和压合压力，实现了超薄膜间的均匀牢固粘结，使得十层PHDE超薄膜堆叠表现出与单层薄膜相似的应力-应变曲线。
图2：通过优化干堆叠方法制备的超薄膜多层介电弹性体驱动器；(a) 超薄膜多层介电弹性体驱动器制备的干堆叠过程示意图；(b) 超薄膜多层介电弹性体驱动器横截面的光学显微镜图像和SEM图像（插图）；(c) 喷涂稀释绑定层（PHDE前体/丙酮为1/99）后的双层薄膜的示意图和光学显微镜图像；(d) 喷涂浓缩绑定层（PHDE前体/丙酮为1/70）后的双层薄膜的示意图和光学显微镜图像；(e) 单层PHDE和十层PHDE超薄膜堆叠的应力-应变关系；(f) 在隔膜上测试的单层PHDE驱动器和10层超薄膜多层介电弹性体驱动器的静态驱动，样本数量n=3；(g) 700V下十层超薄膜多层介电弹性体驱动器的频率响应，样本数量n=3。
其次，研究人员测试了超薄膜多层介电弹性体驱动器在低驱动电压下的机械输出，包括输出力、能量密度和功率密度。图3a显示，超薄膜多层介电弹性体驱动器在200V至700V电压下能输出0.10N至0.70N的力。通过增加层数和整体厚度，可进一步提高输出力。图3d和e展示了超薄膜多层介电弹性体驱动器在700V下能提起100g负载，并计算出特定工作量和能量密度。图3f显示，在600V下，超薄膜多层介电弹性体驱动器的能量密度和功率密度分别达到22J/kg和88W/kg（2Hz）以及12J/kg和240W/kg（10Hz）。
图3：超薄膜多层介电弹性体驱动器的机械输出；(a) 具有特定预负载的十层超薄膜多层介电弹性体驱动器的阻塞力，样本数量n=3；(b) 不同频率下超薄膜多层介电弹性体驱动器的阻塞力，驱动电压为600V，预负载为0.9N，样本数量n=3；(c) 不同层数超薄膜多层介电弹性体驱动器的阻塞力；(d) 超薄膜多层介电弹性体驱动器在700V和0.1Hz下提起100g负载；(e) 在特定负载下测量的十层超薄膜多层介电弹性体驱动器的能量密度，样本数量n=3；(f) 不同频率下十层超薄膜多层介电弹性体驱动器的能量密度和计算功率密度，驱动电压为600V，负载为100g，样本数量n=3。
接着，研究人员利用超薄膜多层介电弹性体驱动器制作了卷动驱动器，并构建了低电压驱动的软泵。他们通过干堆叠方法制备了具有70mm×24mm有效面积的十层超薄膜多层介电弹性体驱动器，然后将其卷成自由站立的管状，形成具有约70个活动层的卷动驱动器。该驱动器在500V和1Hz下展现出约10%的大轴向应变。通过集成超薄膜多层介电弹性体驱动器基卷动驱动器和两个止回阀，构建了软蠕动泵。该泵在300V下能连续工作，流量约为0.5mL/min；在500V和3Hz下，达到约3.5kPa的峰值阻塞压力和约3.8mL/min的流量。
图4：低电压驱动的超薄膜多层介电弹性体驱动器基软泵；(a) 用于制备卷动驱动器的大面积（90mm×60mm）十层超薄膜多层介电弹性体驱动器（有效面积为70mm×24mm）的照片；(b) 超薄膜多层介电弹性体驱动器基软卷动驱动器及其灵活性的照片；(c) 不同驱动电压下卷动驱动器的线性应变，样本数量n=3；(d) 由卷动驱动器和两个止回阀组装的超薄膜多层介电弹性体驱动器基软泵照片；(e) 软泵在不同电压下的流量和阻塞压力；(f) 软泵在不同驱动电压和频率下的水流量。
最后，研究人员设计了受蝠鲼启发的软体鱼。他们使用超薄膜多层介电弹性体驱动器作为驱动肌肉，PDMS制作鱼体和鳍。通过预拉伸超薄膜多层介电弹性体驱动器并组装到PDMS体上，形成了具有弯曲身体的软体鱼。当施加电压时，PUT-MEDA肌肉变形，导致弯曲角度变化。在周期性电压下，软体鱼像蝠鲼一样游动。图5d显示，在700V和1Hz方波信号下，软体鱼的弯曲角度从44.6°变为41°。测试表明，该鱼在无负载下以8Hz频率游动时达到最大速度2cm/s。
图5：低驱动电压下的超薄膜多层介电弹性体驱动器驱动软体鱼；(a) 超薄膜多层介电弹性体驱动器驱动软体鱼的结构示意图；(b) 具有特征曲率的软体鱼照片；(c) 软体鱼的游动示意图，该软体鱼能驱动肌肉拍动胸鳍像蝠鲼一样游动；(d) 软体及鳍的弯曲变化（前视图），驱动电压和频率分别为700V和1Hz；(e) 软体鱼游动的实时快照（电压为700V，频率为8Hz）。
总结
研究人员在本项工作中成功展示了具有低驱动电压和高机械输出的超薄膜多层介电弹性体驱动器。他们通过优化的干堆叠工艺制备了高质量、高均匀性的PHDE超薄膜，并通过精确控制的粘附层将其牢固粘合，从而实现了高性能。单层厚度10微米的超薄膜多层介电弹性体驱动器在低于1千伏的驱动电压下即可产生高机械输出。一个十层超薄膜多层介电弹性体驱动器在700伏电压下达到了约0.7牛（约0.16兆帕）的输出力，最大能量密度约为50焦耳每千克，超过了自然肌肉。该方法灵活且可扩展，可高效制备大面积超薄膜多层介电弹性体驱动器，用于构建实用软机器。研究团队还展示了使用十层90mm×60mm超薄膜多层介电弹性体驱动器的软泵，以及由超薄膜多层介电弹性体驱动器驱动的蝠鲼状软体鱼。这些低驱动电压、高机械输出的超薄膜多层介电弹性体驱动器可进一步定制以驱动其他软设备，如可穿戴设备和软机器人，展现出广泛的应用前景。
编辑：猫学长 | 审核：listen
