介電彈性體致動(dòng)器 (DEA) 可以經(jīng)歷大的、可逆的平面內(nèi)變形。在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一份新報(bào)告中, 加州大學(xué)洛杉磯分校和中國四川大學(xué)的軟材料研究和聚合物科學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)介紹了一種電泳工藝，將介電彈性體前體溶液中的氮化硼納米片分散體濃縮到選定的電極表面。該團(tuán)隊(duì)獲得了一種單晶納米復(fù)合介電彈性體，縮寫為UNDE，具有無縫雙層結(jié)構(gòu)，模量差異為13倍。與傳統(tǒng)的納米復(fù)合介電彈性體相比，該團(tuán)隊(duì)可以將 UNDE 構(gòu)造驅(qū)動(dòng)為具有更高耐用性的大彎曲曲率。他們使用圖案化電極區(qū)域在簡單的電泳濃縮過程中排列了多個(gè) UNDE 單元;然后，通過使用執(zhí)行器，

單晶納米復(fù)合介電彈性體 (UNDE)

介電彈性體是一類電活性聚合物，可以響應(yīng)施加的電壓通過靜電應(yīng)力機(jī)制轉(zhuǎn)換機(jī)電能量。這些材料的特點(diǎn)是應(yīng)變大、能量密度高，在過去十年中作為人造肌肉和軟機(jī)器人的應(yīng)用引起了極大的興趣。丙烯酸彈性體由于其表現(xiàn)出的最大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變以及制造過程中涉及的預(yù)拉伸程序而受到關(guān)注。材料科學(xué)家旨在通過引入第二個(gè)互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)來避免丙烯酸彈性體的預(yù)拉伸過程和化學(xué)修飾以實(shí)現(xiàn)大的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變而無需預(yù)拉伸。在這項(xiàng)工作中，Pu 等人。介紹了一種電泳方法，然后進(jìn)行原位交聯(lián)，以制造由局部濃縮的氮化硼納米片(BNNS)制成的無界面單晶納米復(fù)合介電彈性體。該團(tuán)隊(duì)使用電泳工藝通過定制的電極圖案在圓盤形單片 DEA 薄膜中生產(chǎn)多個(gè)功能單晶單元。他們通過施加電壓改變驅(qū)動(dòng)應(yīng)變而不會(huì)造成材料退化，緊湊的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大的線性驅(qū)動(dòng)，用作光學(xué)變焦系統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)鏡頭電機(jī)。

浦等人。通過電泳在一個(gè)表面上開發(fā)了具有高濃度 BNNS(氮化硼納米片)的 UNDE(Unimorph 納米復(fù)合介電彈性體)薄膜。氮化硼納米片通常用作介電填料以增強(qiáng)介電強(qiáng)度，并且可以分散在介電彈性體中以形成膠體懸浮液。該團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)平行電極之間注入分散體，并在它們之間施加直流電場。由于BNNS帶負(fù)電，材料被吸引到正極表面。該團(tuán)隊(duì)通過紫外線照射固化了前體并形成了連續(xù)的雙層結(jié)構(gòu)。他們使用在電泳期間穿過比色皿室的光束對(duì)該過程進(jìn)行成像。在開發(fā)了 UNDE 結(jié)構(gòu)后，Pu 等人。使用掃描電子顯微鏡圖像觀察常規(guī)納米復(fù)合介電彈性體作為控制材料的特性，以及在其組成中含有 3% BNNS 的 UNDE。該團(tuán)隊(duì)注意到與底層相比，BNNS 集中在頂層的 UNDE 薄膜的彎曲曲率更小。這項(xiàng)工作表明，與濃度耗盡的層相比，BNNS 濃縮層的剛度更高。科學(xué)家們探索了優(yōu)化的材料，通過在 UNDE 薄膜上施加高壓來獲得結(jié)合驅(qū)動(dòng)。施加電場后，結(jié)構(gòu)的兩層在彎曲和恢復(fù)循環(huán)下經(jīng)歷均勻的壓縮應(yīng)變。

UNDE(單晶納米復(fù)合介電彈性體)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)

研究小組分析了 3% 重量 UNDE 的結(jié)合驅(qū)動(dòng)，形狀為梯形，并注意到介電彈性體驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于其厚度上施加的電場如何以單向結(jié)合方式發(fā)揮作用。例如，在 28 MV/m 的場強(qiáng)下，該團(tuán)隊(duì)獲得了 4.4 cm -1的結(jié)合曲率，從而創(chuàng)建了一個(gè)幾乎閉環(huán)的結(jié)構(gòu)。他們注意到結(jié)合曲率對(duì)電場強(qiáng)度的特定依賴性，其中具有較高氮化硼納米片濃度的 UNDE 需要較高的電場由于剛度增加，強(qiáng)度達(dá)到相同的彎曲曲率。該團(tuán)隊(duì)將驅(qū)動(dòng)和恢復(fù)過程與指數(shù)響應(yīng)相匹配，并將彎曲介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的快速響應(yīng)歸功于從電能到機(jī)械功的直接能量轉(zhuǎn)換。結(jié)合曲率表明大彎曲曲率和高操作頻率之間的權(quán)衡。無源氮化硼納米片和有源介電彈性體層之間的無界面特性為 UNDE 致動(dòng)器提供了 180 度折疊后的無損結(jié)合性能。

介電彈性體致動(dòng)器的應(yīng)用

該團(tuán)隊(duì)采用 UNDE 制造工藝，在單片薄膜內(nèi)形成多個(gè)可單獨(dú)訪問的單晶。浦等人。使用盤形介電彈性體致動(dòng)器作為獨(dú)立的電機(jī)鏡頭，以直接重新定位光學(xué)元件并在廣泛的范圍內(nèi)改變緊湊和自適應(yīng)變焦鏡頭系統(tǒng)的焦距。使用雙鏡頭變焦系統(tǒng)，他們?cè)黾恿藘蓚€(gè)鏡頭之間的距離，以減少與系統(tǒng)焦距的距離，并有助于將物體從遠(yuǎn)到近的工作距離投影到同一平面上。與可調(diào)液態(tài)鏡頭技術(shù)相比，線性致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的光學(xué)變焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了更大的焦距可調(diào)能力，適用于內(nèi)窺鏡、智能手機(jī)相機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器視覺。

通過這種方式，Junhong Pu 及其同事開發(fā)了一種通過電泳在單片介電彈性體薄膜中實(shí)現(xiàn)單晶構(gòu)型的新方法。該方法促進(jìn)了氮化硼納米片 (BNNS) 納米填料在單體中的濃度，以形成無界面的單晶納米復(fù)合介電彈性體 (UNDE)。該團(tuán)隊(duì)在研究期間通過將 BNNS 濃度指定為表面積，創(chuàng)建了幾個(gè) UNDE 單元。由于其可定制和可擴(kuò)展的特性，由此產(chǎn)生的線性介電彈性體致動(dòng)器可以被優(yōu)化為用于人工機(jī)器人視覺的有前景的材料。