用于大规模驱动的单晶纳米复合介电弹性体

介电弹性体致动器 (DEA) 可以经历大的、可逆的平面内变形。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中, 加州大学洛杉矶分校和中国四川大学的软材料研究和聚合物科学科学家团队介绍了一种电泳工艺，将介电弹性体前体溶液中的氮化硼纳米片分散体浓缩到选定的电极表面。该团队获得了一种单晶纳米复合介电弹性体，缩写为UNDE，具有无缝双层结构，模量差异为13倍。与传统的纳米复合介电弹性体相比，该团队可以将 UNDE 构造驱动为具有更高耐用性的大弯曲曲率。他们使用图案化电极区域在简单的电泳浓缩过程中排列了多个 UNDE 单元;然后，通过使用执行器，

单晶纳米复合介电弹性体 (UNDE)

介电弹性体是一类电活性聚合物，可以响应施加的电压通过静电应力机制转换机电能量。这些材料的特点是应变大、能量密度高，在过去十年中作为人造肌肉和软机器人的应用引起了极大的兴趣。丙烯酸弹性体由于其表现出的最大驱动应变以及制造过程中涉及的预拉伸程序而受到关注。材料科学家旨在通过引入第二个互穿聚合物网络来避免丙烯酸弹性体的预拉伸过程和化学修饰以实现大的驱动应变而无需预拉伸。在这项工作中，Pu 等人。介绍了一种电泳方法，然后进行原位交联，以制造由局部浓缩的氮化硼纳米片(BNNS)制成的无界面单晶纳米复合介电弹性体。该团队使用电泳工艺通过定制的电极图案在圆盘形单片 DEA 薄膜中生产多个功能单晶单元。他们通过施加电压改变驱动应变而不会造成材料退化，紧凑的驱动器产生大的线性驱动，用作光学变焦系统的直接驱动镜头电机。

浦等人。通过电泳在一个表面上开发了具有高浓度 BNNS(氮化硼纳米片)的 UNDE(Unimorph 纳米复合介电弹性体)薄膜。氮化硼纳米片通常用作介电填料以增强介电强度，并且可以分散在介电弹性体中以形成胶体悬浮液。该团队在两个平行电极之间注入分散体，并在它们之间施加直流电场。由于BNNS带负电，材料被吸引到正极表面。该团队通过紫外线照射固化了前体并形成了连续的双层结构。他们使用在电泳期间穿过比色皿室的光束对该过程进行成像。在开发了 UNDE 结构后，Pu 等人。使用扫描电子显微镜图像观察常规纳米复合介电弹性体作为控制材料的特性，以及在其组成中含有 3% BNNS 的 UNDE。该团队注意到与底层相比，BNNS 集中在顶层的 UNDE 薄膜的弯曲曲率更小。这项工作表明，与浓度耗尽的层相比，BNNS 浓缩层的刚度更高。科学家们探索了优化的材料，通过在 UNDE 薄膜上施加高压来获得结合驱动。施加电场后，结构的两层在弯曲和恢复循环下经历均匀的压缩应变。

UNDE(单晶纳米复合介电弹性体)驱动器的驱动

研究小组分析了 3% 重量 UNDE 的结合驱动，形状为梯形，并注意到介电弹性体驱动器相对于其厚度上施加的电场如何以单向结合方式发挥作用。例如，在 28 MV/m 的场强下，该团队获得了 4.4 cm -1的结合曲率，从而创建了一个几乎闭环的结构。他们注意到结合曲率对电场强度的特定依赖性，其中具有较高氮化硼纳米片浓度的 UNDE 需要较高的电场由于刚度增加，强度达到相同的弯曲曲率。该团队将驱动和恢复过程与指数响应相匹配，并将弯曲介电弹性体驱动器的快速响应归功于从电能到机械功的直接能量转换。结合曲率表明大弯曲曲率和高操作频率之间的权衡。无源氮化硼纳米片和有源介电弹性体层之间的无界面特性为 UNDE 致动器提供了 180 度折叠后的无损结合性能。

介电弹性体致动器的应用

该团队采用 UNDE 制造工艺，在单片薄膜内形成多个可单独访问的单晶。浦等人。使用盘形介电弹性体致动器作为独立的电机镜头，以直接重新定位光学元件并在广泛的范围内改变紧凑和自适应变焦镜头系统的焦距。使用双镜头变焦系统，他们增加了两个镜头之间的距离，以减少与系统焦距的距离，并有助于将物体从远到近的工作距离投影到同一平面上。与可调液态镜头技术相比，线性致动器驱动的光学变焦系统实现了更大的焦距可调能力，适用于内窥镜、智能手机相机、虚拟现实和机器视觉。

通过这种方式，Junhong Pu 及其同事开发了一种通过电泳在单片介电弹性体薄膜中实现单晶构型的新方法。该方法促进了氮化硼纳米片 (BNNS) 纳米填料在单体中的浓度，以形成无界面的单晶纳米复合介电弹性体 (UNDE)。该团队在研究期间通过将 BNNS 浓度指定为表面积，创建了几个 UNDE 单元。由于其可定制和可扩展的特性，由此产生的线性介电弹性体致动器可以被优化为用于人工机器人视觉的有前景的材料。