程文露,曹江勇,劉洪福,王福京,劉金朋

(青島博銳智遠減振科技有限公司,山東 青島 266114)

如今,多數(shù)的驅動器工程設備是由金屬塑料等硬材料開發(fā)設計的,由于其高的輸出功率、高精確度和良好的可控性一直是驅動器主流發(fā)展方向。這些驅動器在轉化為動能時,往往存在熱、光、聲等其他能量形式出現(xiàn),有時會影響驅動器的使用條件,所以越來越需要軟體仿生機器人適應各種可能出現(xiàn)的未知情況。20年前,Ron等[1]89-93引入新型的軟體驅動器,被稱為介電彈性體驅動器,它是由超彈性薄膜兩側涂覆柔性電極材料制成的。目前可用的介電彈性體基體材料包括丙烯酸酯、聚氨酯、硅橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯、丁腈橡膠和相應的復合材料[2]。其工作原理是介電彈性體在電場作用下產生麥克斯韋應力,使薄膜在厚度方向壓縮而產生平面方向的伸展,由此電能轉化為機械能,開啟了介電彈性體應用在驅動器的新征程,其工作原理如圖1所示。

圖1 介電彈性體驅動器驅動原理圖

介電彈性體不僅能用做驅動器,還能在可變阻尼裝置、能量收集器和柔性傳感器等領域找到應用。介電彈性體發(fā)生形變的過程中,彈性體本身的剛度和阻尼也會隨形變產生規(guī)律的變化,這種特性賦予介電彈性體具有制造可變剛度或可變阻尼設備的潛力,如消音減振器[3]。介電彈性體此類電能轉化為機械能的過程是可逆的,即機械能向電能的轉化,實現(xiàn)能量收集,如海浪發(fā)電機[4]。從結構上看,介電彈性體本身還屬于一種平板電容器,當外力作用在介電彈性體上時,介電彈性體產生包括厚度、長度和外形的變化,導致彈性體兩側柔性電極的存儲電荷的能力相應的升高或降低,即電容產生了改變,此時的介電彈性體被當做平板電容傳感器使用[5]。

1 介電彈性體主要基體簡介

介電彈性體基體材料多種多樣,包括硅橡膠、硅樹脂、丙烯酸酯、聚氨酯、丁腈橡膠、天然橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯及其相應的復合材料等,其中應用最廣泛的有三類:硅橡膠、丙烯酸酯和聚氨酯。

硅橡膠應變響應速度快、應用范圍廣、生物兼容性好,是目前研究最多的介電彈性體基體。但硅橡膠的節(jié)點常數(shù)比較低,彈性模量也比較小,因此需要添加高介電常數(shù)填料或與其它材料復合改善節(jié)點常數(shù),同時需要高的驅動電壓,因此需要許多研究者以此為研究重點進行改性已克服這些缺點,如包含烷基氯官能的硅氧烷共聚物介電彈性體的介電常數(shù)比純基體提高了40%。

聚氨酯具有較高的極性,從而具有較大的節(jié)點常數(shù)和電擊穿電壓,故可以產生較大的形變。因為聚氨酯是嵌段共聚物,材料可設計性極強,可以通過軟硬段配合,改變其模量,影響其在電場下的變形表現(xiàn)。1994年,Ma等[6]首次將聚氨酯應用到介電彈性體領域。后來研究人員不斷在聚氨酯材料軟硬段改性、軟硬段結構以及填料改性等多個方面改進型聚氨酯介電材料的各項性能。例如Xiang等[7]將羥基封端的丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)作為軟鏈斷,六亞甲基二異氰酸酯(HDI)和丁二醇(BDO)作為硬段合成了具有高介電性能聚氨酯介電彈性體。其介電常數(shù)大于8.7,而損耗因子小于0.02,電擊穿強度和楊氏模量都隨著硬段含量的增加而增加。

丙烯酸酯橡膠具有電致變形大、電擊穿強度高的優(yōu)異性能,但其具有介電常數(shù)較低(約為4.7)、熱穩(wěn)定性低、對環(huán)境敏感(溫敏性、濕敏性)以及高黏彈性等特性,造成電響應時間長,且重現(xiàn)性差,最終限制了機電偶合效率,降低了丙烯酸酯橡膠的應用范圍。目前較常用的丙烯酸酯薄膜是出自美國3M公司的VHB系列,他們是由包含乙烯基和羧酸羧酸端基脂肪族丙烯酸酯的混合物組成的。這類丙烯酸酯擁有比較高的介電常數(shù),在103 Hz時介電常數(shù)能達到4.8,此外其理論能量密度為3.4 MJ/m3。

2 介電彈性體在柔性機器人領域應用

介電彈性體驅動器相對于傳統(tǒng)驅動器而言,擁有質量更輕、形變更大、響應速度更快、噪聲更小以及滯后損失更小的優(yōu)點。介電彈性體的各種特性與生物組織相似,是人造肌肉理想的原材料。不同于傳統(tǒng)機器人,軟體機器人滿足機動性和續(xù)航能力的同時,擁有更好的隱身性能,而且還能更加適應復雜、極限和惡劣環(huán)境。

介電彈性體驅動器擁有高響應速度和高的能量轉換效率,這讓介電彈性體柔性機器人擁有非凡的機動性和續(xù)航能力。例如以硅橡膠介電彈性體作為肌肉,硅橡膠薄膜為魚鰭,仿照蝠鲼設計的水下驅動電子魚在可在施加循環(huán)電壓時,硅橡膠介電彈性體肌肉拉動魚鰭擺動,使電子魚可以像蝠鲼一樣通過周期性擺動產生推力,實現(xiàn)游動,仿生魚結構如圖2所示。Sun等[8]受尺蠖爬行的啟發(fā)設計了由丙烯酸介電彈性體薄膜、柔性拱體和單向軸承輪組成的柔性機器人,如圖3所示,利用介電彈性體在電場中主動擴張和收縮的特性巧妙地構建單向可移動結構,當直流電壓作用在介電彈性體薄膜時,薄膜沿同一個方向伸長而使機器人向前移動,最大爬行速度為2.2體長/s,且能負載自身3.8倍的重量,表現(xiàn)出優(yōu)異的運動性能。

圖2 蝠鲼仿生魚照片及結構示意圖

圖3 單向柔性機器人結構圖

隱形技術是傳統(tǒng)偽裝技術應用和延伸,也稱為“低可探測技術”,分為雷達隱形、紅外隱形、磁隱形、聲隱形和可見光隱形等。介電彈性體驅動器可直接避免傳統(tǒng)驅動器的機械零件碰撞摩擦,產生的噪聲和熱量低,聲隱形和紅外隱性能極佳,此類柔性機器人隱形性和靜謐性遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)機器設備。比如,在仿蝠鲼電子魚設計中,通過設計丙烯酸酯透明介電彈性體膜,其中封裝透明的水凝膠膜作為柔性電極,外側則以水為電極,使得機器魚整體透明,表現(xiàn)出高的偽裝性能,而且機器魚無馬達,噪音極小,因此在隱形軍事潛航器上擁有巨大的應用潛力。

利用介電彈性體的特性,柔性機器人能適應復雜和惡劣的工作環(huán)境。傳統(tǒng)的“堅硬”型機器人由于連接關節(jié)的弊病而有諸多限制,他們不能夠在狹窄的空間中移動,而且必須安裝堅硬的殼體應對危險。柔性機器人具有柔性可變的身軀和關節(jié),甚至不需要關節(jié),意味著它能夠在各種環(huán)境移動自如,這讓它對復雜的環(huán)境適應性更強。不僅如此,柔性機器人還能適應各種極限工作環(huán)境,如超高壓海底。在2021年,Li等[9]在仿蝠鲼電子魚研究基礎上,利用硅樹脂介電彈性體仿照深海獅子魚制造了可以用于萬米深海的介電彈性體機器魚,如圖4所示。它采用了“以柔克剛”的策略,全柔機身讓機器人尤其是內部電子元件無需耐壓外殼就能夠承受萬米級別的深海靜水壓力,為深海和深空等極限條件下探測器的制備打開一面全新的窗戶。為此,這款科研成果在2021年年初成為了國際頂級期刊《自然》的封面文章。

圖4 仿深海獅子魚柔性機器人照片

3 介電彈性體能量收集

眾所周知,電動機和發(fā)電機的工作原理是相反的,電動機由電能轉化為機械能的過程,是發(fā)電機將機械能轉化為電能的逆過程[10]。同理,介電彈性體發(fā)電過程也是介電彈性體驅動器的逆過程。

介電彈性體發(fā)電機能夠應用到能量收集領域,這衍生出多種類型的發(fā)電機,如用來收集自然能量的波浪發(fā)電機和風能發(fā)電機,或者用來收集人體運動能量的可穿戴發(fā)電機和接觸式發(fā)電機。早在2000年,Ron[1]94-100便開始了對介電彈性體能量收集的研究,找到了從步行中收集電量的方法,將介電彈性體安裝在皮靴的腳后跟上,捕捉每次鞋后跟撞擊的能量。該裝置有效地將鞋跟的壓縮與多層隔膜陣列的變形耦合在一起。腳跟撞擊發(fā)電機產生的最大0.8 J每周期的能量,可以被士兵用來補充電池電源,作為緊急備用電源或用于專門的機載啟動功能,這開啟了介電彈性體發(fā)電的大門。

4 介電彈性體揚聲器領域的應用

介電彈性體隔膜作為介電彈性體驅動器的一種,它能在驅動電壓下產生形變[11]。如果以高頻交流電壓驅動,介電彈性體隔膜會在交流電下高頻振動,高頻的振動會產生聲音,這是介電彈性體揚聲器工作的主要原理。介電彈性體揚聲器類似于靜電揚聲器,是一種由兩固定電極與振膜構成電容結構,不同的是介電彈性體揚聲器的振膜換成了具有大變形的介電彈性體薄膜,且電極與介電彈性體薄膜緊緊黏結在一起,結構更加簡單,具有質量輕、結構緊湊、可擴展性強和價格低廉的優(yōu)點,能夠適用于大小不同區(qū)域和平面以及非平面,在廉價低端和保真高端的揚聲器都能找到用武之地[12]。

2013年,Christoph等[13]創(chuàng)新的以1 mm厚的VHB 4910丙烯酸酯膠布(3M)和100 mm厚的聚丙烯酰胺水凝膠(含NaCl)制備了介電彈性體,并在兩側制作具有高度可拉伸性和透明性的揚聲器。音頻信號經過高壓放大器饋送到揚聲器,高壓交流電下介電彈性體產生振動,能在20～20 000 Hz的整個可聽范圍內發(fā)出聲音,其工作原理如圖5所示。

圖5 透明揚聲器工作原理圖

2019年Cheng等[14]以3M公司的VHB 4905丙烯酸酯為研究對象,在以上透明揚聲器的研究基礎上,對介電彈性體的非線性動態(tài)響應進行了系統(tǒng)的實驗研究和詳細分析。作者設計了類似透明揚聲器的實驗裝置來觀察介電彈性體膜在交替激勵下的振動模式并測量共振頻率。在實驗中發(fā)現(xiàn)介電彈性體在不同的激勵頻率下具有不同的響應模式,包括諧波、超諧波和次諧波響應,還發(fā)現(xiàn)等效電壓和交直流比是影響次諧波響應發(fā)生的主要參數(shù)。以上實驗觀察可以更深入地了解介電彈性體在機電負載下的動態(tài)響應,給介電彈性體應用在揚聲器、有源噪聲控制和振動控制提供理論支持。

5 介電彈性體振動控制器

介電彈性體揚聲器能夠產生可控的振動,那么介電彈性體能否控制振動,這還需要進一步的實驗驗證。介電彈性體本身屬于高分子聚合物彈性體材料,其高彈性特征在被動減振降噪領域已被廣泛應用。如今介電彈性體作為柔性驅動器新身份重新出現(xiàn)在半主動和主動振動控制領域。一種方向是介電彈性體驅動器在直流電場中可控的大變形行為,使介電彈性體的剛度和阻尼能夠隨形變產生規(guī)律的變化,因此這為介電彈性體在主動減振降噪領域提供了可能。另一種方向是介電彈性體在高壓交流電下具有不同的振動響應模式,此時的介電彈性體作為致動器產生大小相等、相位相反的振動來抵消傳入的振動,從而實現(xiàn)主動振動控制。

為了驗證介電彈性體對振動的控制效果,2012年,美國約克大學的Rahimullah等[15]使用波形微結構的Poly PowerTM有機硅彈性體薄膜制造的介電彈性體材料,表面離子濺射銀作為電極,卷曲后得到柱狀的介電彈性體執(zhí)行器,并設計了一套自適應前饋振動控制系統(tǒng)用于降低振動的傳播,如圖6所示。介電彈性體執(zhí)行器安裝在質量塊和激振器之間,電壓在經過放大后輸入到執(zhí)行器,使執(zhí)行器受控制以減少振動的傳播。加速度傳感器用于測量減振前后加速度大小,提供誤差信號。在經過計算機的控制器計算后由模擬輸出模型轉換為電信號。該控制信號被電壓放大器放大后被饋送到管狀致動器,管狀控制器根據信號適應激振器頻率,改變自身剛度和阻尼,達到減振隔振目的。

圖6 自適應前饋振動控制系統(tǒng)

基于介電彈性體主動減振的相同原理,2017年,德國的William等[16]使用天然橡膠介電彈性體在設計的單軸實驗臺展示了在介電彈性體主動隔振方面的潛力,其主動減振實驗臺如圖7所示。該實驗臺能夠抑制共振峰,具有很好的減振效果。

圖7 單軸實驗臺模型

以上研究已經充分證明介電彈性體在減振領域的較好的應用潛力。影響介電彈性體減振性能的因素包括彈性體本身的種類、黏彈性、剛度、阻尼、形狀和介電常數(shù)等性能,也包括減振器設計結構、施加電壓、激振頻率、初始拉伸、計算機信號處理方式和反饋機制等外部影響因素。因此,未來的工作需要集中在介電彈性體和精確自動化制造工藝的開發(fā)上,此外,還需要進一步研究可靠性問題,包括穩(wěn)定性和老化等性能。

6 介電彈性體在醫(yī)學領域的應用

經過近二十年的研究,介電彈性體主要面向線性驅動器或觸覺器件,如上述提到的柔性機器人,其潛力仍有待挖掘?；诮殡姀椥泽w與生物組織相似的特性,許多學者已經在探究介電彈性體驅動器在醫(yī)學領域的應用,如使用介電彈性體制造可伸縮心臟支架和全軟人工心臟。

設計一款全軟人工心臟并非易事,一旦全軟人工心臟研制成功,將會很大程度改變傳統(tǒng)人工心臟制造。與傳統(tǒng)人工心臟不同,全軟人工心臟是依靠介電彈性體驅動器收縮和舒張模仿心臟跳動實現(xiàn)泵血功能,無需空氣壓縮機等額外輔助設備,這意味著全軟人工心臟更輕,體積更小,消耗的能源更低,從而擁有高續(xù)航能力。Wu等[17]合成新型的聚磷腈介電彈性體,在無預應變情況下,驅動應變高達84%。他們利用PPZ制作了具有類似天然心臟功能的全軟人工心臟,如圖8所示。

圖8 全軟人工心臟

人工心臟呈現(xiàn)橄欖球形狀,在電場、信號頻率和占空比的綜合控制下規(guī)律跳動,實現(xiàn)泵血功能。Almanza等[18]開發(fā)了一種管狀硅橡膠介電彈性體心臟輔助器,如圖9所示。

圖9 心臟輔助器

它能夠通過緩解主動脈在收縮期的變形和增加其在舒張期的壓力來輔助心臟泵血。管狀介電彈性體驅動器是由硅橡膠制成的,可以取代部分主動脈,基于介電彈性體剛度可控性,再現(xiàn)天然主動脈的軟化和硬化行為,以此為血液流動提供能量。由于介電彈性體驅動器體積小并且能量密度大,相對于體積較大的氣動驅動裝置,具有更大的希望植入到心臟的主動脈中。此外,作者應用的硅橡膠無毒,與人體組織不黏連,自帶抗凝血作用,是一種具有生理惰性材料,相對于目前普遍使用的冠狀動脈金屬支架,將更適用于心臟手術。作者對介電彈性體應用到心臟主動脈的研究系首創(chuàng),為介電彈性體的醫(yī)學應用提供了新思路。

7 介電彈性體柔性傳感器

傳感器作為一種擁有檢測或者反饋機制的儀器,應用極其廣泛,當前倍受關注的一鍵物聯(lián)、智能家居、智能交通、智能駕駛等,對傳感器技術的需求巨大。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器的分類多種多樣,按照材料可分為:半導體、晶體、陶瓷、有機復合、金屬、高分子聚合物、超導、光纖、納米材料等。柔性的復合材料傳感器是當前發(fā)展的重點,對于柔性傳感器要求,一般擁有拉伸、彎折、壓縮的能力,并且耐化學腐蝕、耐候性較好,所以高分子材料是柔性傳感器良好的基體材料。根據傳感機制的不同,柔性傳感器可為電阻式、壓電式、電容式等傳感器,其中電容式壓力傳感器結構簡單、極高的循環(huán)穩(wěn)定性、低電壓操作等優(yōu)點使其成為傳感器中應用最廣泛的存在。電容C的決定式見公式(1)。電容器兩平行板正對面積S、相對介電常數(shù)ε和兩平行板間的距離d是決定電容大小的主要因素,k是靜電力常量。又從前文可知,在兩側涂覆柔性電極的介電彈性體薄膜本身就是一種電容器。且電容隨介電彈性體薄膜厚度或形變而發(fā)生規(guī)律的改變,進而識別施加在電容器上的壓力大小,因此介電彈性體是制作電容式壓力傳感器的優(yōu)選材料。

Zhuo等[19]使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為彈性介電層制備電容式的壓力傳感器。在制備過程中發(fā)現(xiàn)PDMS介電層無法在非常小的壓力下產生足夠的變形來獲得可檢測的電容變化。因此,傳統(tǒng)的平板壓力傳感器不適用于人體穿戴檢測如脈搏一般的微弱信號。為了提高電容式壓力傳感器的靈敏度,作者采用3D打印制造了不同的微結構PDMS薄膜,在薄膜內部形成氣孔以降低彈性阻力,引起更大的彈性形變,還能在壓縮下引起彈性體介電常數(shù)的規(guī)律變化,如圖10所示。

圖10 制造的電容式壓力傳感器的器件結構示意圖和成品器件的照片圖像

根據電容的決定式,d和ε雙重影響,使電容產生更大的變化,進而提高電容式壓力傳感器的靈敏度。實驗結果證明,制備的傳感器器件實現(xiàn)了比以往使用微結構硅片模具的工作更高的靈敏度,能夠實時監(jiān)測人體微弱的生理信號。該設備還具有快速響應、優(yōu)異的耐久性和良好的環(huán)境耐受性,更具有使用價值的是結構簡單成本低,為可穿戴柔性傳感器制造提供了借鑒。

與上述通過改變ε和d不同,熊耀旭[20]采用構筑傳感層的微納結構,通過改變電容器S和d,提高電容式壓力傳感器的靈敏度。具體情況是采用模板轉印的方式制備具有表面凸型微結構陣列,結構如圖11所示,由兩個帶有凸型微結構陣列的鍍金聚二甲基硅氧烷薄膜和中間聚偏氟乙烯層組成。在外部壓力下凸型微結構陣列產生形變,S增加為S′,d減小為d′,從而產生明顯變化的電容信號。實驗結果證明,傳感器具有高靈敏度、快速響應性和出色的循環(huán)穩(wěn)定性,并成功檢測到各種人體生物信號,為可穿戴傳感器的研制提供更加廣闊的思路。

圖11 壓力對d和S的影響示意圖

8 結束語

介電彈性體作為新興的智能軟材料,因其質量輕、形變大、反應時間短、機電轉換效率高等優(yōu)點,廣泛用于如機器人、潛航器、飛行器等驅動領域,以及人工心臟和心臟輔助器等醫(yī)學領域,也可在穿戴發(fā)電機、波浪發(fā)電機、接觸式發(fā)電機等能量收集領域找到應用。介電彈性體在驅動過程中的剛度、阻尼可變性和可控振動特性,為新型揚聲器和減振隔振器的制造創(chuàng)造無限可能。除此之外,介電彈性體還能用來制造電容式壓電傳感器,此類傳感器結構簡單、極高的循環(huán)穩(wěn)定性、低電壓操作等優(yōu)點,必然能讓介電彈性體在未來傳感器領域中大放異彩。