用于大規模驅動的單晶納米復合介電彈性體

介電彈性體致動器 (DEA) 可以經歷大的、可逆的平面內變形。在現在發表在《科學進展》上的一份新報告中, 加州大學洛杉磯分校和中國四川大學的軟材料研究和聚合物科學科學家團隊介紹了一種電泳工藝，將介電彈性體前體溶液中的氮化硼納米片分散體濃縮到選定的電極表面。該團隊獲得了一種單晶納米復合介電彈性體，縮寫為UNDE，具有無縫雙層結構，模量差異為13倍。與傳統的納米復合介電彈性體相比，該團隊可以將 UNDE 構造驅動為具有更高耐用性的大彎曲曲率。他們使用圖案化電極區域在簡單的電泳濃縮過程中排列了多個 UNDE 單元;然后，通過使用執行器，

單晶納米復合介電彈性體 (UNDE)

介電彈性體是一類電活性聚合物，可以響應施加的電壓通過靜電應力機制轉換機電能量。這些材料的特點是應變大、能量密度高，在過去十年中作為人造肌肉和軟機器人的應用引起了極大的興趣。丙烯酸彈性體由于其表現出的最大驅動應變以及制造過程中涉及的預拉伸程序而受到關注。材料科學家旨在通過引入第二個互穿聚合物網絡來避免丙烯酸彈性體的預拉伸過程和化學修飾以實現大的驅動應變而無需預拉伸。在這項工作中，Pu 等人。介紹了一種電泳方法，然后進行原位交聯，以制造由局部濃縮的氮化硼納米片(BNNS)制成的無界面單晶納米復合介電彈性體。該團隊使用電泳工藝通過定制的電極圖案在圓盤形單片 DEA 薄膜中生產多個功能單晶單元。他們通過施加電壓改變驅動應變而不會造成材料退化，緊湊的驅動器產生大的線性驅動，用作光學變焦系統的直接驅動鏡頭電機。

浦等人。通過電泳在一個表面上開發了具有高濃度 BNNS(氮化硼納米片)的 UNDE(Unimorph 納米復合介電彈性體)薄膜。氮化硼納米片通常用作介電填料以增強介電強度，并且可以分散在介電彈性體中以形成膠體懸浮液。該團隊在兩個平行電極之間注入分散體，并在它們之間施加直流電場。由于BNNS帶負電，材料被吸引到正極表面。該團隊通過紫外線照射固化了前體并形成了連續的雙層結構。他們使用在電泳期間穿過比色皿室的光束對該過程進行成像。在開發了 UNDE 結構后，Pu 等人。使用掃描電子顯微鏡圖像觀察常規納米復合介電彈性體作為控制材料的特性，以及在其組成中含有 3% BNNS 的 UNDE。該團隊注意到與底層相比，BNNS 集中在頂層的 UNDE 薄膜的彎曲曲率更小。這項工作表明，與濃度耗盡的層相比，BNNS 濃縮層的剛度更高。科學家們探索了優化的材料，通過在 UNDE 薄膜上施加高壓來獲得結合驅動。施加電場后，結構的兩層在彎曲和恢復循環下經歷均勻的壓縮應變。

UNDE(單晶納米復合介電彈性體)驅動器的驅動

研究小組分析了 3% 重量 UNDE 的結合驅動，形狀為梯形，并注意到介電彈性體驅動器相對于其厚度上施加的電場如何以單向結合方式發揮作用。例如，在 28 MV/m 的場強下，該團隊獲得了 4.4 cm -1的結合曲率，從而創建了一個幾乎閉環的結構。他們注意到結合曲率對電場強度的特定依賴性，其中具有較高氮化硼納米片濃度的 UNDE 需要較高的電場由于剛度增加，強度達到相同的彎曲曲率。該團隊將驅動和恢復過程與指數響應相匹配，并將彎曲介電彈性體驅動器的快速響應歸功于從電能到機械功的直接能量轉換。結合曲率表明大彎曲曲率和高操作頻率之間的權衡。無源氮化硼納米片和有源介電彈性體層之間的無界面特性為 UNDE 致動器提供了 180 度折疊后的無損結合性能。

介電彈性體致動器的應用

該團隊采用 UNDE 制造工藝，在單片薄膜內形成多個可單獨訪問的單晶。浦等人。使用盤形介電彈性體致動器作為獨立的電機鏡頭，以直接重新定位光學元件并在廣泛的范圍內改變緊湊和自適應變焦鏡頭系統的焦距。使用雙鏡頭變焦系統，他們增加了兩個鏡頭之間的距離，以減少與系統焦距的距離，并有助于將物體從遠到近的工作距離投影到同一平面上。與可調液態鏡頭技術相比，線性致動器驅動的光學變焦系統實現了更大的焦距可調能力，適用于內窺鏡、智能手機相機、虛擬現實和機器視覺。

通過這種方式，Junhong Pu 及其同事開發了一種通過電泳在單片介電彈性體薄膜中實現單晶構型的新方法。該方法促進了氮化硼納米片 (BNNS) 納米填料在單體中的濃度，以形成無界面的單晶納米復合介電彈性體 (UNDE)。該團隊在研究期間通過將 BNNS 濃度指定為表面積，創建了幾個 UNDE 單元。由于其可定制和可擴展的特性，由此產生的線性介電彈性體致動器可以被優化為用于人工機器人視覺的有前景的材料。