【引言】

創(chuàng)造人造肌肉一直是科學(xué)和工程學(xué)的重大挑戰(zhàn)之一。靈活、通用且高效的致動器的發(fā)明打開了制作新一代輕質(zhì)、高效和多功能機(jī)器人的大門。當(dāng)前人造肌肉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低功率移動執(zhí)行器，模擬高效和自然運(yùn)動形式的機(jī)器人、自動機(jī)器人和傳感器以及輕量級可穿戴技術(shù)。而且它們在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中也有很多應(yīng)用，柔韌性以及生物相容性都是是非常重要的。目前尚不清楚哪種材料最終會形成理想的人造肌肉。從形狀記憶合金（SMA），到氣動制動器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實(shí)現(xiàn)人造肌肉目標(biāo)的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場的致動機(jī)制。

【成果簡介】

在EAP的領(lǐng)域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應(yīng)變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動器（DEAs）在過去的20年里展現(xiàn)了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。

近日，加州大學(xué)洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發(fā)表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關(guān)領(lǐng)域的重要研究。同時(shí)，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物，對于軟驅(qū)動器技術(shù)通常無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關(guān)的科技進(jìn)步。最后，文章介紹了應(yīng)用前景及當(dāng)前DEA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并推測可能進(jìn)一步推進(jìn)基于DE的人工肌肉整體的研究方向。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 DEA的工作原理示意圖

DEA由夾在兩個(gè)柔性電極之間的彈性體組成，當(dāng)施加電壓時(shí)，發(fā)生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。

圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅(qū)動性能。

（a）對預(yù)拉伸薄膜進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)張；

（b）在5kV恒定電壓下比較未處理（RIPN）和增塑劑處理的VHB膜之間的溫度依賴性應(yīng)變響應(yīng)。

圖3 DEs的特征應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為非預(yù)拉伸薄膜（具有原點(diǎn)O的實(shí)曲線）和預(yù)拉伸薄膜（O'處的虛線曲線）的機(jī)械應(yīng)變或電場（在恒定電壓下）的函數(shù)圖

十字（×）表示介電擊穿。 點(diǎn)（A）和（B）分別代表表觀擊穿場和實(shí)際擊穿強(qiáng)度。

圖4獨(dú)立的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）制造工藝

彈性體是預(yù)拉伸的（黑色網(wǎng)絡(luò)）并噴涂多功能單體添加劑，然后在主機(jī)網(wǎng)絡(luò)中聚合形成第二網(wǎng)絡(luò)（紅網(wǎng)）。

圖5 化學(xué)改性彈性體在不預(yù)拉伸的情況下抑制拉入失效

（a）作為剛性，柔軟和定制彈性體的拉伸比（λ）的函數(shù)的特征模量或應(yīng)力（f^*）；

（b）VHB4905，其IPN和改性彈性體（Cx-P0）的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力 - 應(yīng)變行為。

 圖6 導(dǎo)電納米填料改善了介電常數(shù)

（a）由于填料形成的導(dǎo)電路徑而經(jīng)歷電擊穿的DE復(fù)合材料的圖示（左）; 具有受阻電滲透的封裝導(dǎo)電填料（右）；

（b）官能化鋁納米顆粒的示意圖;

（c）介電常數(shù)和（d）含有特定量的鋁納米顆粒的復(fù)合材料的致動測試。

圖7 具有Diels-Alderbonds的可變剛度聚丙烯酸酯

（a）聚丙烯酸酯通過聚合物可逆性交聯(lián)實(shí)現(xiàn)可變剛度;

（b）模量可逆性的循環(huán)熱處理;

（c）聚丙烯酸Diels-Alder VSP在不同電場下的軟（PADA-4-s）和剛性（PADA-4-r）狀態(tài)下的面致動應(yīng)變。

圖8 BSEP作為DE執(zhí)行器

（a）基于BSEP的執(zhí)行器的工作機(jī)制;

（b）使用玻璃化轉(zhuǎn)變BSEP的隔膜致動器的性能。

 圖9 改善BSEP材料的機(jī)械和電介質(zhì)特性

（a）玻璃化轉(zhuǎn)變BSEP和（b）相變BSEP的剛度變化的圖示;

（c）線性PTBA和交聯(lián)的PTBA-IPN之間的模量 - 溫度分布和（d）介電致動性能的比較;

（e）相變BSEP（BSxx）模量的溫度依賴性;

（f）BS80-AA5和BS80在50℃下的應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)。

圖10 CNT電極的容錯(cuò)性

（a）盡管針刺穿了薄膜, VHB-CNT致動器表現(xiàn)出90％的致動應(yīng)變。

（b）由于CNT的自清除效應(yīng)，硅樹脂CNT致動器的循環(huán)致動測試表明壽命延長。

圖11基于彈簧致動器的步行機(jī)器人

（a）彈簧制動器制造的示意圖;

（b）在5.5kV下致動期間的雙自由度（2-DOF）彈簧輥彎曲;

（c）MERbot：一種六腳機(jī)器人，帶有2自由度彈簧作為支腿。

圖12 用于微流體控制的介電彈性體閥（DEV）

在（a）休息和（b）致動狀態(tài)下DEV的照片;

（c，d）通過背光照明對DEV流體控制（紅色水性染料）進(jìn)行視覺表征。

圖13 BSEP設(shè)備

（a）由BSEP執(zhí)行器制成的可刷新盲文面板;

（b）BSEP氣動致動器（上部）的工作機(jī)構(gòu)的橫截面圖和示出“U”，“C”，“L”，“A”（下部）的觸覺面板的示意圖。 比例尺為2 mm；
（c）通過切換電場開啟和關(guān)閉來反轉(zhuǎn)寫入BSEP光子納米復(fù)合材料。 比例尺為3 mm。

 【小結(jié)】

本文綜合樓近期關(guān)于DE材料、兼容電極和執(zhí)行器裝置的重要發(fā)展和自己課題組的探索。定制應(yīng)力應(yīng)變行為的新DE材料，具有更高的介電常數(shù)和可調(diào)節(jié)的剛度，改善了材料性能并拓寬了其應(yīng)用范圍。同時(shí)，AgNW、CNT和聚合物電解質(zhì)凝膠電極實(shí)現(xiàn)了大而穩(wěn)定的致動。作為“人造肌肉”，DE致動器已經(jīng)被研究用于許多應(yīng)用，包括軟機(jī)器人、能量存儲-發(fā)生器和人機(jī)界面。DEA在實(shí)際應(yīng)用中仍然具有挑戰(zhàn)性，雖然DEA的最大性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然肌肉（例如，> 1 MPa應(yīng)力，> 100％應(yīng)變和100 Hz響應(yīng)速度），但DEA的穩(wěn)定運(yùn)行性能指標(biāo)尚未完全建立，除了操作穩(wěn)定性和可靠性之外，高驅(qū)動電壓也是安全問題和缺乏緊湊和有效驅(qū)動電路的主要問題。

文獻(xiàn)鏈接：Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations（Acc. Chem. Res.，2019，DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00516）