AFM：3D打印交叉型介電彈性體致動(dòng)器

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智能軟致動(dòng)器通常依靠相變材料、流體驅(qū)動(dòng)或靜電吸引等方式來實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)從而具有模仿生物系統(tǒng)的能力并兼具較高的效率。其中的介電彈性體致動(dòng)器（DEAs）通過在兩個(gè)電極之間的絕緣彈性體上施加電壓所產(chǎn)生的靜電力作為驅(qū)動(dòng)力。由于相反電荷的吸引力減小了電場方向上的彈性體厚度，從而導(dǎo)致正交方向上的膨脹伸展。這種外部電場可以通過撤去施加在電極上的電壓而快速施加和移除，因此DEAs表現(xiàn)出快速的驅(qū)動(dòng)速率和較大的能量密度，使其在軟機(jī)器人、智能醫(yī)療器械等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用場景。

目前大多數(shù)DEAs是通過例如旋涂、順序機(jī)械組裝等平面方法制造，因此驅(qū)動(dòng)時(shí)變形在平面內(nèi)擴(kuò)展，通過進(jìn)一步加工這些平面結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)變制造微彎曲致動(dòng)器、滾動(dòng)致動(dòng)器等等。但是，這些裝置經(jīng)常表現(xiàn)出受損循環(huán)和擊穿現(xiàn)象并且可實(shí)現(xiàn)形狀受限。相比之下，基于擠出式的墨水直寫（DIW）3D打印方法能夠以幾乎任意的幾何形狀快速設(shè)計(jì)和制造軟材料而被用來打印DEAs。

近期發(fā)表在Advanced Functional Materials雜志上題為3D Printing of Interdigitated Dielectric Elastomer Actuators的文章，來自哈佛大學(xué)的David R. Clarke和Jennifer A.Lewis團(tuán)隊(duì)開發(fā)優(yōu)化了具有高打印保持性、合適流變性的導(dǎo)電彈性體油墨和自修復(fù)、可調(diào)力學(xué)性能的增塑介電基質(zhì)。團(tuán)隊(duì)成員利用3D打印特定形狀的垂直電極，并用自修復(fù)介電基質(zhì)封裝制造出不同類型的3D DEAs器件，其擊穿場強(qiáng)為25V·m-1，驅(qū)動(dòng)應(yīng)變高達(dá)9%。

圖1 打印并封裝交叉型DEAs致動(dòng)器策略

研究人員首先制備了以乙烯基醚基為末端的聚乙二醇乙二醇硫化物（PEG-PES）低聚物，然后將其與二硫醇擴(kuò)鏈劑和三硫醇交聯(lián)劑混合來生產(chǎn)化學(xué)交聯(lián)彈性體。低分子量低聚物的這種同時(shí)擴(kuò)鏈和交聯(lián)的策略將它們?cè)谖垂袒癄顟B(tài)下的流變性與最終固化后的性能分離。未固化粘度由低聚物的分子量決定，而固化彈性模量由交聯(lián)之間的分子量決定(圖2a)。最終通過調(diào)節(jié)雙官能擴(kuò)鏈劑與三官能交聯(lián)劑的比例，PEG-PES彈性體表現(xiàn)出優(yōu)異的極限拉伸性能、極大斷裂伸長率和低塑性變形。另外，研究人員使用納米炭黑既作為導(dǎo)電填料又作為流變改性劑加入上述PEG-PES低聚物溶液中制得最終的導(dǎo)電油墨進(jìn)行基礎(chǔ)打印，打印完成后放置于100℃固化幾分鐘。固化的電極具有0.49MPa的EY(圖2d)和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，電導(dǎo)率約為6.5 S m-1。

圖2 以納米炭黑作為填料的聚乙二醇聚醚砜低聚物電極材料性質(zhì)及循環(huán)拉伸下的模量、電導(dǎo)率

對(duì)于介電材料的設(shè)計(jì)，研究人員采用聚氨酯二丙烯酸酯(PUA)低聚物作為基體，其中含有低分子量雙官能交聯(lián)劑丁二醇二丙烯酸酯(BDDA)和增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯(DOP圖3a)，并將打印完成的電極材料封裝于介電基質(zhì)中。DOP不僅降低了電介質(zhì)基質(zhì)的未固化粘度使其利于其填充在印刷電極之間，而且降低了固化電介質(zhì)基質(zhì)的機(jī)械損耗角正切(tan δ)(圖3b)間接影響致動(dòng)器的頻率響應(yīng)。另外，DOP還可以在電擊穿后修復(fù)電介質(zhì)基質(zhì)而具有容錯(cuò)性。擊穿事件發(fā)生后，DOP會(huì)從周圍區(qū)域擴(kuò)散，使器件恢復(fù)正常工作狀態(tài)(圖3c)。

圖3 介電彈性體基質(zhì)的改性設(shè)計(jì)

最后研究人員使用上述制得的電極材料和介電材料，利用DIW直寫打印了交叉垂直電極并封裝介電基質(zhì)，用光學(xué)測(cè)量手段測(cè)量了面內(nèi)收縮。理想的DEAs致動(dòng)器應(yīng)該具備小的彈性模量和較大的擊穿場強(qiáng)（最大激勵(lì)應(yīng)變(sz)由sz = ε0εr(EEB)2/EY給出，其中EEB是介電基質(zhì)的擊穿場強(qiáng)。）。并且在打印大尺寸器件時(shí)，電極材料打印過程的穩(wěn)定性尤為重要，任何局部的較薄電介質(zhì)段缺陷都將降低擊穿場強(qiáng)。對(duì)于該方法3D打印的DEAs致動(dòng)器，隨著電介質(zhì)段的數(shù)量從3個(gè)增加到7個(gè)甚至15個(gè)，擊穿場強(qiáng)保持在≈25V·μm-1，而激勵(lì)應(yīng)變分別從4.1%增加到5.8%到9.1%(圖4d)。與電極材料的被動(dòng)變形相比，驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的增加是由介電基質(zhì)主動(dòng)變形所占據(jù)面積的增大引起。重要的是，這些裝置在2000次循環(huán)中表現(xiàn)出一致的驅(qū)動(dòng)(圖4e，f)。并且如果使用多噴嘴的DIW直寫可以以更快的速度打印DEAs致動(dòng)器件（圖5a，b），這些器件在幾分鐘內(nèi)以2.5mm s-1的打印速度打印，相當(dāng)于電極制造速度接近1cm 3min-1。同樣，3D打印的方式使得在平面不同位置打印電極以在不同的方向形成特性的面內(nèi)電場產(chǎn)生特定變形，例如旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器（圖5c，d）。

圖4 DIW直寫打印3D垂直交叉電極的DEAs及其驅(qū)動(dòng)性能

圖5 多噴嘴打印互穿電極DEAs及旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器打印

總的來說，利用3D打印技術(shù)允許使用任意設(shè)計(jì)幾何形狀、高保真的全3D電極來制造特定DEAs致動(dòng)器，輔助以電極材料和介電基質(zhì)性能的優(yōu)化，3D DEAs致動(dòng)器可能會(huì)具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)性能而在軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。