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清華大學(xué)趙慧嬋團(tuán)隊(duì) AFM：分米尺度的靜電驅(qū)動(dòng)柔性人工肌肉新進(jìn)展

2025-01-18 來源：高分子科技

自然界中，肌肉是動(dòng)物實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜操作的關(guān)鍵執(zhí)行器。在機(jī)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(diǎn)。介電彈性體（Dielectric Elastomer, DE）驅(qū)動(dòng)器因其高能量密度、大變形和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)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(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。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(jī)械工程系趙慧嬋研究團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)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(tuán)隊(duì)在分米尺度DE人工肌肉制造方面的最新進(jìn)展。

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

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新性的無(wú)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(wú)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(shí)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(zhǎng)度達(dá)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(zhǎng)度，為柔性人工肌肉在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，為應(yīng)對(duì)高頻運(yùn)動(dòng)中人工肌肉的充放電問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種振幅調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的連桿模型

研究人員進(jìn)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(shí)現(xiàn)了肌肉伸縮狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知。這種設(shè)計(jì)在保持柔性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)人工肌肉的長(zhǎng)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(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)人工肌肉切割成三個(gè)較短單元，成功構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和張拉結(jié)構(gòu)平臺(tái)兩種機(jī)械裝置，分別展示了柔性人工肌肉在高頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，DE人工肌肉因其柔性特性，減少了機(jī)械裝置中鉸鏈結(jié)構(gòu)的使用，同時(shí)展現(xiàn)了更高的人機(jī)交互安全性，為DE人工肌肉在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用提供了更多可能。

通過切分得到的多個(gè)DE驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建的機(jī)械裝置

小結(jié)：這項(xiàng)工作展示了該團(tuán)隊(duì)近期在介電彈性體柔性人工肌肉制造上的新進(jìn)展。研究者們提出的無(wú)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(dòng)與應(yīng)變感知方法，以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的驅(qū)動(dòng)器和集成式自感知功能。最后，通過可切分特性制備的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器在機(jī)械裝置中的應(yīng)用，驗(yàn)證了人工肌肉的實(shí)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(dòng)系統(tǒng)邁出了重要一步，未來有望在仿生機(jī)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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