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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(dá)
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(jī)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(tuán)隊(duì)和四川大學(xué)楊偉教授團(tuán)隊(duì)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(jī)硅兩大介電彈性體材料體系；所制備的UNDE的擊穿強(qiáng)度達(dá)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)納米復(fù)合彈性體（CNDE）2倍以上；作者進(jìn)一步設(shè)計電極實(shí)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(dá)。該線性馬達(dá)在厚度方向上實(shí)現(xiàn)了13倍于膜厚的沖程輸出。以線性馬達(dá)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(dá)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(jī)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(dá)驅(qū)動的光學(xué)變焦系統(tǒng)

  該工作是裴啟兵教授團(tuán)隊(duì)和楊偉教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)DEA大幅度應(yīng)變穩(wěn)定輸出。楊偉教授團(tuán)隊(duì)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(shí)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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