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清華大學(xué)趙慧嬋團隊 AFM：分米尺度的靜電驅(qū)動柔性人工肌肉新進展

2025-01-18 來源：高分子科技

自然界中，肌肉是動物實現(xiàn)靈活運動和復(fù)雜操作的關(guān)鍵執(zhí)行器。在機器人領(lǐng)域，研發(fā)具備類似特性的高響應(yīng)速度、輕量化柔性人工肌肉一直是研究熱點。介電彈性體（Dielectric Elastomer, DE）驅(qū)動器因其高能量密度、大變形和快速響應(yīng)等優(yōu)點，被認為是最具潛力的人工肌肉智能材料之一。其基本結(jié)構(gòu)為電介質(zhì)薄膜夾在柔性電極之間，通過靜電力實現(xiàn)機械運動。然而，傳統(tǒng)DE人工肌肉的制備尺寸受限，難以制造分米及更大尺度的多層介電薄膜結(jié)構(gòu)。

近日，清華大學(xué)機械工程系趙慧嬋研究團隊在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）發(fā)表了一篇題為“Long, Fibrous, and Tailorable Dielectric Elastomer Artificial Muscles via Mask-Free Stamping of Carbon Nanotube Electrodes”的研究論文，展示了團隊在分米尺度DE人工肌肉制造方面的最新進展。

使用碳納米管柔性電極無掩膜轉(zhuǎn)印法制造的長纖維狀及可切分介電彈性體人工肌肉

研究團隊提出了一種創(chuàng)新性的無掩模碳納米管柔性電極制造技術(shù)，通過圖案化真空抽濾沉積和無掩膜轉(zhuǎn)印的方法，將碳納米管均勻沉積在介電彈性體基底上，從而實現(xiàn)大面積均勻柔性電極的制備。利用多層DE薄膜的卷繞構(gòu)型，他們成功制備出長度達180毫米的纖維狀DE人工肌肉，這一尺寸近似于人類手臂肌肉長度，為柔性人工肌肉在仿生機器人中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，為應(yīng)對高頻運動中人工肌肉的充放電問題，研究團隊開發(fā)了一種振幅調(diào)制驅(qū)動方法。在10 Hz共振頻率下，該方法使產(chǎn)生的應(yīng)變提升了64%，提升了人工肌肉的動態(tài)性能。

碳納米管柔性電極圖案化沉積方法及DE人工肌肉驅(qū)動的連桿模型

研究人員進一步巧妙利用人工肌肉的中空結(jié)構(gòu)，使用柔性導(dǎo)光材料制作內(nèi)芯，集成了柔性光波導(dǎo)傳感器，實現(xiàn)了肌肉伸縮狀態(tài)的實時感知。這種設(shè)計在保持柔性的同時實現(xiàn)了精準的感知與反饋控制，使人工肌肉具備了“自感知”特性。

集成式柔性光波導(dǎo)傳感器實現(xiàn)人工肌肉的長度自感知

這種新型大面積DE薄膜制備工藝不僅突破了人工肌肉尺寸限制，還可以通過電極設(shè)計實現(xiàn)了驅(qū)動器的可切分特性，為批量化制備高一致性人工肌肉提供了新途徑。研究人員將一根長人工肌肉切割成三個較短單元，成功構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)發(fā)動機和張拉結(jié)構(gòu)平臺兩種機械裝置，分別展示了柔性人工肌肉在高頻驅(qū)動和精確位置控制方面的應(yīng)用潛力。相較于傳統(tǒng)直線驅(qū)動器，DE人工肌肉因其柔性特性，減少了機械裝置中鉸鏈結(jié)構(gòu)的使用，同時展現(xiàn)了更高的人機交互安全性，為DE人工肌肉在不同場景下的應(yīng)用提供了更多可能。

通過切分得到的多個DE驅(qū)動器構(gòu)建的機械裝置

小結(jié)：這項工作展示了該團隊近期在介電彈性體柔性人工肌肉制造上的新進展。研究者們提出的無掩模轉(zhuǎn)印柔性電極技術(shù)，不僅為更大尺寸的DE人工肌肉制造提供了可能性，還開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動與應(yīng)變感知方法，以實現(xiàn)高動態(tài)性能的驅(qū)動器和集成式自感知功能。最后，通過可切分特性制備的多個驅(qū)動器在機械裝置中的應(yīng)用，驗證了人工肌肉的實用性和靈活性。這一研究成果向?qū)崿F(xiàn)更高效、更智能的柔性驅(qū)動系統(tǒng)邁出了重要一步，未來有望在仿生機器人、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422905

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（責(zé)任編輯：xu）

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