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形状可编程介电液晶弹性体执行器

材料科学家的目标是使用受生物启发的软机器人在人与机器人之间进行高级交互,但是相关技术仍有待开发。例如,软致动器必须快速用力执行以提供可编程的形状变化,并且设备应易于制造且对于非束缚应用而言应具有能源效率。在最新的《科学进展》报告中,佐伊·戴维森(Zoey S. Davidson)和物理情报,材料科学与工程系以及德国,美国和土耳其医学院的跨学科研究团队使用两种截然不同的方法将感兴趣的几个特征结合在一起材料系统来构建软机器人。

科学家将快速高效的驱动与介电弹性体(DE)集成在一起,并使用液晶弹性体(LCE)进行定向形状可编程性。然后,他们使用自上而下的光取向技术,将分子取向和局部巨大的弹性各向异性编程到液晶弹性体中。研究人员开发了线性致动液晶弹性体整料,其应变率高于每秒120%,当负载移动至弹性体重量的700倍以上时,能量转换效率为20%。该机制将为小型化的形状可编程性和效率带来新的研究机会,同时增加了在计算机上应用的自由度多学科研究中的软机器人。

材料机器人技术研究人员认为,兼容的执行器是形成有效的人机界面和机器人界面的关键。兼容的软执行器理想情况下将是高效的,并保持强度重量比,工作能力和形状可编程性,以完成复杂的功能。具有这种特性的软执行器的性能将非常类似于人造肌肉,并在航空航天,机器人技术,医疗设备,能量收集设备和可穿戴设备中具有先进的应用。在探索的各种软促动器中,介电弹性体(DE)是最有前途的。同时,液晶弹性体(LCE)会在光和热的作用下发生可逆的机械变形接近相变温度的驱动。光对准和微细加工的进步使科学家能够在微观区域对液晶对准进行预编程,以实现复杂的形状变形。但是,现有的机构需要多步制造方法,而使用LCE 将电能传送到机械功的努力由于产生的应变很小而受到限制。

在目前的工作中,戴维森等。图案化的LCE(液晶弹性体),以适应机械柔韧性的空间变化(通过弹性体变形传递输入力和位移),并开发具有预编程能力和致动方向(压缩)的更有效的介电弹性体致动器。通常,DE(介电弹性体)致动器的功能是利用在各向同性 DE的相对侧上创建的两个顺应电极之间的静电吸引来设计可变电阻器-电容器。施加到顺应性电极上的高压会产生称为麦克斯韦应力的静电压力使DE变形; 用于电动。与LCE相比,此机制可产生更高的运行效率和更高的致动速度。然而,尽管取得了令人印象深刻的结果,但由于存在挑战,使用创新的材料来构建具有形状可编程性的下一代高性能DE可以克服现有的挑战,因此DE执行器尚未在软机器人中得到广泛应用。

Davidson等。在不依赖分子旋转的情况下,利用电驱动直接探索了LCE材料的大机械各向异性(以增强应变局部化)。其中包括材料科学领域的最新进展,以构建高效且形状可编程的DE。称为介电LCE执行器(DLCEA)。科学家将LCE分子排列在局部区域,以实现电驱动,并允许在室温下变形,从而显示出大,快速和有力的应变。

该研究小组开发了LCE电影两步过程 ; 首先,他们简要开发了一种低聚物,然后使用硫醇丙烯酸酯点击反应制备LCE膜。他们调整了组分的确切比例,选择了单体和二硫醇连接基,以调节最终LCE膜所需的机械性能。该工作产生了大面积的有序的单轴LCE,具有很大的弹性各向异性。科学家在LCE膜的两面都涂了顺应性的油脂电极,以创建DLCEA(电介质LCE执行器)设备。

Davidson等。然后表征(测试)从单畴单轴取向LCE薄膜开始的材料。接下来,他们测试了等轴测(恒定应变)和等渗(恒定力)配置的单轴DLCEA。例如,在等距测试中,他们将初始应变施加到DLCEA设备上,并在施加高电压进行电致动之前允许松弛。在等电位测试(区域或空间中的每个点都具有相同的电位)期间,科学家将DLCEA置于恒定电压下进行应变,以指示预期的致动。

单轴屈曲DLCEA的演示。单轴排列的DLCEA在被2.5 kV电位充电时会弯曲,然后在电极放电时会变平。在DLCEA上握持的琴弦有助于使操作可视化,但也会因弯曲而略微移位。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aay0855

使用相同的DLCEA,研究团队通过从设备的自由端悬吊各种砝码以产生恒定的载荷力和初始标称应变来进行等渗测试。然后,他们突然放出了加权的DLCEA设备,并使用高速视频捕获了随后的运动。随着实验负载和应变的增加,DLCEA 的电容也增加。

在复杂的形状驱动过程中,边界条件对于确定DLCEA的形状变化起着重要作用。研究团队通过表征弹性体在固定边界之间膨胀引起的屈曲效应来了解边界条件的作用,他们观察到屈曲幅度随电压的升高而增加。激励峰值也是DLCEA应用感兴趣的另一个特征,科学家使用正弦变化的1-kV电位测量了激励幅度随施加频率的变化。尽管激励幅度随频率呈指数衰减,但研究人员在30 Hz和1 kV下测量了参数(50 µm)。

为了证明能够预编程2D复杂图案,然后将胶片电驱动为3D形式的能力,科学家设计了空间变化的LCE导演配置。他们观察到LCE薄膜以局部正或负高斯曲率弯曲到平面外,从而在弹性介质中形成圆锥或反锥体变形。Davidson等。在实验装置中观察到局部编程的高度变化以及伴随的高斯曲率形成。研究人员存入在系统中观察到的高效率的各向异性的弹性模量和泊松比。材料的泊松比各向异性是一个重要的功能,可以实现程序设计的形状更改驱动。通过机械装置,被驱动或压缩的LCE可以横向扩展以产生形状变化。在这项工作中开发的实验方法可以推广到创建各种各样的可编程形状更改。因此,当将电场施加到DLCEA时,该设备会产生扭曲的运动,其幅度将取决于材料的固有特性和LCE几何形状。

这样,Zoey S. Davidson及其同事将DE和LCE的所需特性组合在一个单一的材料平台中,以形成具有出色驱动性能的电驱动DLCEA。该器件显示出高能量转换效率(20%),高驱动速度(每秒120%)和可编程形状从2-D变为3-D,平面外冲程超过1800%。对于更大的驱动力,研究团队考虑使用多层DLCEA堆栈。

这项工作提供的有关活性材料集成技术和电致动机理的见解可以提供更多令人兴奋的机会。可以将这些方法与3-D打印,折纸和kirigami致动策略相结合,以创建低成本和可持续材料的多功能软机器人,作为节俭的发明。所开发的机制还可以应用于医疗器械,可穿戴技术和航空航天等其他技术,例如能量收集和存储。

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