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UCLA裴啟兵/四川大學(xué)楊偉 Sci. Adv.：用人工肌肉制備高速線性馬達
2022-03-07  來源：高分子科技

  介電彈性體致動器（DEA）是開發(fā)軟體機器人、可穿戴設(shè)備、柔性醫(yī)療器械和觸覺反饋界面等硬件的基礎(chǔ)元件。傳統(tǒng)DEA基于靜電力擠壓的驅(qū)動形式，僅能產(chǎn)生微弱的面外應(yīng)變輸出，雖然研究者開發(fā)出了將DEA與限制層粘附和堆疊黏合多層DEA等方法來提高面外輸出能力，但又往往帶來粘接面缺陷、界面分層和低良率等問題。


  近期，UCLA裴啟兵教授團隊和四川大學(xué)楊偉教授團隊報道了一種通過電泳聚集調(diào)控氮化硼納米片（BNNS）在介電彈性體納米復(fù)合材料中分布的方法，制備了無界面的雙層結(jié)構(gòu)介電彈性體納米復(fù)合材料（UNDE）。該方法解決了傳統(tǒng)疊層法幾乎無法克服的界面問題并適用于丙烯酸和有機硅兩大介電彈性體材料體系；所制備的UNDE的擊穿強度達傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)納米復(fù)合彈性體（CNDE）2倍以上；作者進一步設(shè)計電極實現(xiàn)局部電泳聚集，以雙層結(jié)構(gòu)致動器為結(jié)構(gòu)單元制備了雙向驅(qū)動的軟線性馬達。該線性馬達在厚度方向上實現(xiàn)了13倍于膜厚的沖程輸出。以線性馬達搭建的雙透鏡變焦系統(tǒng)具有超過40倍的光學(xué)變焦能力，且工作頻率高達5Hz。該工作以A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large out-of-plane actuation為題發(fā)表在Science Advances上（DOI: 10.1126/sciadv.abm6200）。文章第一作者是四川大學(xué)蒲俊宏博士，通訊作者為UCLA孟淵博士、裴啟兵教授和四川大學(xué)楊偉教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1. 電泳聚集法制備UNDE薄膜的過程示意圖

圖2. UNDE薄膜的結(jié)構(gòu)表征和驅(qū)動機理

圖3. 3wt%UNDE致動器的彎曲致動性能

圖4. 圓盤形線性DEA的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動性能

圖5. 由圓盤形線性DEA作為鏡頭馬達驅(qū)動的光學(xué)變焦系統(tǒng)

  該工作是裴啟兵教授團隊和楊偉教授團隊合作在介電彈性體復(fù)合材料制備人工肌肉領(lǐng)域取得的最新進展之一。以聚合物分子鏈和功能粒子為對象，合成分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和開發(fā)功能粒子分布調(diào)控方法，從化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計制備出高性能彈性體材料。基于此，裴啟兵教授團隊報道了采用預(yù)拉伸（Science, 2000, 287, 836–839）、引入聚合物雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Adv. Mater. 2006, 18, 887–891）、調(diào)控聚合物交聯(lián)度（J. Polym. Sci. B, 2013, 51, 197–206）和制備柔性復(fù)合材料電極（Adv. Funct. Mater. 2021, 2008321）等方式實現(xiàn)DEA大幅度應(yīng)變穩(wěn)定輸出。楊偉教授團隊基于大分子與功能粒子的相互作用，開發(fā)出基于熔體剪切流場誘導(dǎo)（Nanoscale, 2018, 10, 2191；Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1700946）和冰模板輔助生長（Prog. Polym. Sci., 2020, 109: 101289.）等加工方法以實現(xiàn)納米粒子的可控分布和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑，制備出高靈敏度寬檢測范圍的應(yīng)變傳感材料（Mater Horiz, 2020,7, 2450; Nano Energy, 2020, 104814）、高性能的熱管理材料（Mater Horiz, 2019, 6, 250; Chem. Eng. J, 2020, 392, 123784; 2021, 425, 131466）及高性能電池電池電極（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008652；Energy Storage Mater. 2021, 40, 415）。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6200

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（責(zé)任編輯：xu）
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