Science Advances：薄膜人工肌肉实现大幅度面外致动

介电弹性体是一种可在电场作用下迅速产生大形变的一类材料，因此被广泛应用在软体机器人、可穿戴设备、医疗器械、触觉反馈等领域。

现有介电弹性体致动器通过静电力挤压材料在其厚度方向产生的形变较小，因此往往需要通过堆黏大量薄膜致动器以实现毫米级别的应变输出。而此类致动器制备通常耗时较长，同时也存在诸如粘接面缺陷、界面分层和低良率等缺陷。

近日，UCLA裴启兵教授团队和四川大学杨伟教授团队合作通过介电复合材料内部结构的设计，制备了大幅度面外应变输出的致动器。本工作报道了一种电泳聚集的方法调控氮化硼纳米片（BNNS）在介电弹性体纳米复合材料中的分布，制备了无界面的双层结构介电弹性体纳米复合材料（UNDE）。进一步设计电极实现局部电泳聚集，制备出具有大面外应变输出/材料厚度比（13倍）的软线性致动器，以此为镜头线性马达搭建的高速双透镜变焦系统展现出超过40倍的光学变焦能力。相关工作以题为A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large out-of-plane actuation的研究性论文在Science Advances上发布。

【图文分析】

电泳聚集法制备UNDE薄膜的过程

图1： 用于制作UNDE薄膜的电泳聚集过程的图示。

电泳聚集工艺如图1A所示，采用该方法制造了在一侧表面具有高浓度BNNS层的UNDE 膜。图1B展示了用于观察分散有BNNS的预聚物混合物的电泳聚集过程的装置。对不同时间点光学相机捕获的灰度图片（图1C）进行处理后得到了电泳聚集过程随时间变化的关系图1D。

UNDE薄膜的结构表征及弯曲机理

图2： UNDE薄膜的结构表征和弯曲机理

SEM图像（图2B）清晰展示出电泳聚集工艺使BNNS仅分布在UNDE薄膜接近表面的约3.1μm基体层中。由于BNNS在厚度方向的不均匀分布，UNDE在厚度方向上展现出各向异性（图2C），同时UNDE的杨氏模量以及击穿强度都得到了不同程度的提升（图2D,2E）。

当在UNDE薄膜厚度方向上施加电场时，薄膜会立即产生弯曲变形。其致动机制如图2F所示。这里假设每一层的性质是均匀的，UNDE薄膜可以划分为BNNS聚集层和纯聚合物层的两层模型进行分析。在施加电场时，两层材料由于不同的杨氏模量和介电常数导致其经历不均匀的压缩应变，比值k > 9.5，最终导致薄膜向BNNS集中侧的弯曲变形。

UNDE致动器的弯曲驱动

图3： 3wt%UNDE致动器的弯曲致动性能

一个含有3 wt%BNNS的UNDE弯曲致动器照片如图3A 所示。梯形的集合结构有利于抑制转角出的不均匀应变。将长边边缘固定后，DEA则以单向弯曲方式驱动，图 3B展示出在厚度方向上施加不同电场其弯曲致动结果。弯曲曲率对电场强度的具体依赖性如图3C所示。图3D展示了在0.2 Hz的驱动频率下施加不同强度的电场过程中，三个连续驱动周期中记录的曲率值随时间的变化。介电弹性体的黏弹性导致了两个稳定状态之间转化时会有短暂延迟。图3G显示了在21 MV/m电场强度和10 Hz频率下致动器工作超过 100,000 次操作循环的连续疲劳测试结果，体现出良好的耐久性。

基于多个UNDE的圆盘形线性DEA 

图4：圆盘形线性DEA的结构及其驱动性能

进一步，通过在相邻局部区域之间施加方向相反的电场，将六个环形扇形区域中的BNNS交替集中在相邻表面上（图4A）。交联后的圆盘状薄膜中的六个UNDE的两侧表面都组装上CNT电极，当对BNNS在同侧的三个扇形区域的电极充电后，三个带电扇形区域的弯曲响应共同转化为内圆环的平面外位移（图4B）。通过周期性地电压触发两组聚集位置不同的UNDE单元即可实现薄膜装置的双向线性驱动（图4C）。图4D显示了其在不同电压作用时产生的稳定的双向线性冲程。图4F表明，该圆盘形DEA在19 MV/m电场下运行过程中调节不同的驱动频率（1、2、5和10 Hz）不会对输出冲程产生影响，这意味着该线性薄膜DEA的冲程输出在工作频率高达10 Hz的范围内的无衰减，而单一的UNDE弯曲致动器的弯曲曲率会随着频率的增加而迅速减小（图4G）。

紧凑型直驱镜头马达

图5：由圆盘形线性 DEA作为镜头马达驱动的光学变焦系统

圆盘形线性DEA用作独立的镜头马达制备紧凑型自适应变焦镜头系统，该镜头马达可直接驱动光学元件并在大范围内改变系统的焦距。双镜头变焦系统的示意图如图5A所示。通过增加两个镜头之间的距离，系统的焦距会减小，过程中从远到近处于工作距离上的物体可以分别投影到同一图像平面上。这里的DEA镜头马达与商用超声波电机(USM)的最大不同在于后者需要额外组件（例如齿轮、转子和滑块）将压电致动器的振动转换为驱动镜头的线性运动。圆盘形透镜马达可直接沿光轴驱动凸透镜（图5B），使搭建的调焦系统更紧凑。图5D（左）显示了变焦镜头系统的安转设置，该系统由安装在圆盘形镜头马达内环空腔中的非球面凸透镜（f₁ = 10.92 mm）和相距6.6 mm的双凹透镜（f₂ = -6.0 mm）组成。镜头马达带动凸透镜的位移可有效地调整了两个透镜之间的距离，将双透镜光学系统的工作距离从距离透镜组12 cm的花朵切换到距离系统300 m的建筑结构上（图 5D，中、右）。具体来说，当双镜头初始距离为5.65 mm时，搭建的光学变焦系统具备从20到850 mm的40倍光学变焦能力。

【结语】

本文报道了一种通过电泳聚集的方法以调控BNNS在介电弹性体复合纳米材料薄膜中分布，制备的圆盘形线性DEA实现了大幅度(薄膜厚度的13倍)高频率（10Hz）平面外冲程输出。基于开发的线性马达制造了大变焦范围紧凑型光学系统或应用于虚拟现实头盔和机器人视觉系统等硬件设备。该工作提供的制造工艺、材料设计和致动器结构将推动人造肌肉领域的前进，促进柔软、仿生和紧凑机电设备的开发。