UCLA裴启兵/四川大学杨伟 Sci. Adv.：用人工肌肉制备高速线性马达

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介电弹性体致动器（DEA）是开发软体机器人、可穿戴设备、柔性医疗器械和触觉反馈界面等硬件的基础元件。传统DEA基于静电力挤压的驱动形式，仅能产生微弱的面外应变输出，虽然研究者开发出了将DEA与限制层粘附和堆叠黏合多层DEA等方法来提高面外输出能力，但又往往带来粘接面缺陷、界面分层和低良率等问题。

近期，UCLA裴启兵教授团队和四川大学杨伟教授团队报道了一种通过电泳聚集调控氮化硼纳米片（BNNS）在介电弹性体纳米复合材料中分布的方法，制备了无界面的双层结构介电弹性体纳米复合材料（UNDE）。该方法解决了传统叠层法几乎无法克服的界面问题并适用于丙烯酸和有机硅两大介电弹性体材料体系；所制备的UNDE的击穿强度达传统结构纳米复合弹性体（CNDE）2倍以上；作者进一步设计电极实现局部电泳聚集，以双层结构致动器为结构单元制备了双向驱动的软线性马达。该线性马达在厚度方向上实现了13倍于膜厚的冲程输出。以线性马达搭建的双透镜变焦系统具有超过40倍的光学变焦能力，且工作频率高达5Hz。该工作以A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large out-of-plane actuation为题发表在Science Advances上（DOI: 10.1126/sciadv.abm6200）。文章第一作者是四川大学蒲俊宏博士，通讯作者为UCLA孟渊博士、裴启兵教授和四川大学杨伟教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. 电泳聚集法制备UNDE薄膜的过程示意图

图2. UNDE薄膜的结构表征和驱动机理

图3. 3wt%UNDE致动器的弯曲致动性能

图4. 圆盘形线性DEA的结构及其驱动性能

图5. 由圆盘形线性DEA作为镜头马达驱动的光学变焦系统

该工作是裴启兵教授团队和杨伟教授团队合作在介电弹性体复合材料制备人工肌肉领域取得的最新进展之一。以聚合物分子链和功能粒子为对象，合成分子链网络结构和开发功能粒子分布调控方法，从化学和物理结构上设计制备出高性能弹性体材料。基于此，裴启兵教授团队报道了采用预拉伸（Science, 2000, 287, 836–839）、引入聚合物双网络结构(Adv. Mater. 2006, 18, 887–891）、调控聚合物交联度（J. Polym. Sci. B, 2013, 51, 197–206）和制备柔性复合材料电极（Adv. Funct. Mater. 2021, 2008321）等方式实现DEA大幅度应变稳定输出。杨伟教授团队基于大分子与功能粒子的相互作用，开发出基于熔体剪切流场诱导（Nanoscale, 2018, 10, 2191；Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1700946）和冰模板辅助生长（Prog. Polym. Sci., 2020, 109: 101289.）等加工方法以实现纳米粒子的可控分布和网络构筑，制备出高灵敏度宽检测范围的应变传感材料（Mater Horiz, 2020,7, 2450; Nano Energy, 2020, 104814）、高性能的热管理材料（Mater Horiz, 2019, 6, 250;  Chem. Eng. J, 2020, 392, 123784; 2021, 425, 131466）及高性能电池电池电极（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008652；Energy Storage Mater. 2021, 40, 415）。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6200

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