科学家研发高性能介电弹性体,推动人工肌肉、VR等领域取得新突破

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“这篇论文一共有三位审稿人,评价都挺高的。一位审稿人认为这项研究取得的成果推动了介电弹性体材料领域的重大进展。另一位审稿人认为我们提出的新工艺简单易用,能够被世界上大多数实验室所复现。他们都对这项研究非常感兴趣,愿意在他们的研究中采用我们开发的材料和工艺方法。”谈及论文审稿人的评价,浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院的研究员石烨博士如是说。

在科学与工程学领域,人工肌肉的研究一直是一个重要的课题和需要突破的挑战。可用于制作人工肌肉的材料有很多,电活性聚合物也是一类。其中,介电弹性体(dielectric elastomer,DE)因具备较高的应变、能量密度、断裂韧性等优点而受到广泛关注。

介电弹性体主要由大分子构成,其形状在受到电压刺激后会发生改变。所以,用可拉伸电极和介电弹性体薄膜可以制成介电弹性体致动器(dielectric elastomer actuator,DEA)。一般来说,施加电压会在 DEA 中形成麦克斯韦应力,这会使弹性体薄膜得到延展。

▲图 | 石烨(来源:石烨)

目前,那些传统的介电弹性体材料都存在各种各样的局限,或易发生电力学失稳导致形变和损坏,又或造成性能等方面的损失。

为了解决上述难题,石烨博士所在的课题组制备了一种“能屈能伸”的高性能介电弹性体,并提出了新的叠层工艺。

近日,相关论文以《一种可加工的高性能介电弹性体和多层工艺》(A processable, high-performance dielectric elastomer and multilayering process)为题在 Science 在线发表[1]。石烨博士担任论文第一作者,加州大学洛杉矶分校裴启兵教授担任通讯作者。

▲图|相关论文(来源:Science)

灵感源自给手机贴膜

“我们这次开发的材料应用了一个新的体系,就是文章中提到的叫‘Bimodalnetwork’的双峰网络结构。它能大大提高材料的性能并拓展其使用的可能性。”石烨博士表示。

2019 年初,石烨加入裴启兵教授的课题组,开始对该项目进行研究,最早是想要发展一种能够做成高效能可跳跃机器人的材料。

为了发展这种材料,首先要达到规定的技术参数。基于高分子化学和物理的原理,课题组想要通过改进材料中的组分来实现不同的性能。

比如,为了增大拉伸率,应该添加哪些组分,为了降低粘弹性,又应该改变哪些组分。为此,他们做了许多配比实验,同时,还研制了双层结构电极[2],使电极更加稳定。

据此,课题组初步得到了一种性能较好的材料。不过,在将该材料做成致动器器件的过程中,他们发现,由于材料本身过薄,体积太小,虽然有较高的能量密度,但能输出的总能量很小。

“我们想到要把材料一层一层叠起来。但在这个过程中,又发现使用传统的湿化学方法的效率和良率太低。”石烨解释道,“比如要叠一个十层的东西,如果叠到后面几层时出现一个缺陷,那么整个器件就会废掉,前面的努力也会功亏一篑。所以我们想自己开发一个新的叠层工艺。”

后来,课题组从给手机贴膜这个过程中得到启发。他们从材料力学角度思考贴膜过程,认识到手机的屏幕非常硬,而手机保护膜在具有一定硬度和韧性的同时,又具备相应的柔性。因此手机膜能通过先卷曲然后滚动的方法贴合在手机屏幕上。

他们由此开发了新的干叠法工艺,将两层介电弹性体薄膜的分别预先制备在很硬和相对较硬却能卷起来这两种不同的材料基底上。

材料制备好以后,为了更好地除掉薄膜中间的气泡,实验人员又加入一层没有聚合好的前驱体溶液。然后,他们通过同样的滚动贴合方法实现了薄膜的完美堆叠。

综上,该工作制备的高性能新型材料,具有双峰网络结构,能够有效抑制电力学失稳,实现高性能致动。

如论文中提到:“在不进行预先拉伸的前提下,可表现出 190% 的最大面积应变;并且,在 2Hz 的频率基础上,可表现超过 110% 的面积应变。”同时,新开发的干叠法工艺较传统方法而言,具备可量产、高效率、低损失等突出优势。

▲图|新型高性能介电弹性体材料(来源:Science)

未来将以应用为导向,探索更多可能性

该成果可以在医疗、生命健康、前沿科技等多个领域得到广泛应用。

首先,利用此材料可制作各种各样的柔性机器人,这是人工肌肉材料的原始出发点。

其次,由于这种材料在接受一定的电信号以后,会产生机械形变且输出相应的力,能够为人类提供触觉方面的反馈,所以可利用它来制作盲文。

同时,可利用该材料制作 VR 或 AR 手套等可穿戴设备。目前市面上出现的 VR 眼镜并不能提供真正的触觉感,借助这种材料,再结合某种程序控制,能够实现在游戏中触碰物件并在现实中得到力学反馈的想象。

未来,针对这项研究,该团队不仅会以应用为导向,结合新工艺,继续改进材料,做出真正为人所用并造福社会的产品,还希望联合更多领域的伙伴,探索材料应用的更多可能性。

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