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杂志俱乐部2013年9月主题:可拉伸离子
在一个论文刚刚发表于科学，我们描述了一类使用可拉伸的、透明的离子导体制造的器件。这些设备是高度可变形和完全透明的。它们可以在10千赫以上的频率和10千伏以上的电压下工作。我们演示了一个播放音乐的全透明扬声器．看到一个YouTube视频．的补充材料包含实验方法，理论和更多的电影。的科学杂志进行了一项访谈内容，其中涵盖了本文的一些相同内容。
动机．在过去的一个世纪里，电子工程装置的兴起使电子携带电荷。然而，电子学的成功崛起并没有削弱另一个历史更悠久的成功——离子电子学，基于离子和水的自然电荷传输解决方案。我们生活在两个平行的世界:电子世界和电子世界。
这两个世界相互交流。我们看电视，听收音机。我们在GPS的指引下开车。这两个平行世界——人造世界(使用电子)和自然世界(使用离子)——之间更密切的交流正在创造一个混合场:生物电子学。应用的例子包括电极阵列，其中医疗器械的电子器件与组织和细胞的离子相结合，以及脑机接口，通过皮质离子脉冲控制假肢手臂。通过电子设备和互联网，一个人的大脑可以控制另一个人的手指。人的思想可以摇动老鼠的尾巴。
生物电子学的出现凸显了一个根本性的挑战:电子设备大多由硬材料制成，而人体大多由软组织组成。为了使电子产品能够满足皮肤、心脏和大脑的需求，我们需要可伸缩导体。在非生物医学应用中也需要可拉伸导体，例如软机器人和可调谐光学。看到一个约翰·罗杰斯的观点在同一期的科学。
现有可拉伸导体的局限性．现有的可拉伸导体主要是电子导体，包括碳脂、微裂纹金膜、蛇形金属线、碳纳米管、石墨烯片、银纳米线等。除导电性和拉伸性外，其他属性在特定应用中也很重要。C导体可能需要在高频率和高电压下工作，在经历1000%或更多的面积膨胀时保持导电性，具有生物相容性，并且具有可操作性透明的。
当电子导体努力满足这些要求时，离子导体很容易满足其中的大多数。许多离子导体，如水凝胶和离子凝胶，都是固体形式的可拉伸和透明。许多水凝胶具有生物相容性和适形性细胞到分子尺度。
什么是可拉伸的、透明的离子导体？当盐溶解在水中并形成离子时，离子是在水中移动的电荷。因此，盐水是一种透明的离子导体。
但盐水是液体，我们的设备需要固体导电体。我们把盐水和聚合物网络结合，制成水凝胶。盐水使导电成为可能，而聚合物网络则提供了固体形式。水凝胶类似于凝胶，但可拉伸性更强。水凝胶可以被拉伸超过其长度的五倍。
我们在大部分工作中使用了水凝胶，但我们也使用了非水离子导体。
如何利用离子导体制造高压器件。当电子导体和离子导体之间的界面上的电压超过1 V数量级时，就会发生电化学反应。我们怎样才能用离子导体制造高压装置而不引起电化学反应呢?我们的装置由两个串联电容器组成:一个电容器是电极(电子导体，铜)和电解质(离子导体，水凝胶)之间的界面，另一个电容器是介电介质。这两个电容器的电容相差很大。当在器件上施加高压时，电极/电解质界面上的电压降很小，因此不会发生电化学反应。本装置实现了不需要电化学反应的机电转导。
如何利用离子导体制造高频器件．离子导体的电导率比铜的电导率约小6个数量级。我们如何利用离子导体制造高频设备，比如扬声器?在我们的装置中，离子导体和电介质形成层状结构。离子导体提供电阻R，电介质提供电容c，它们的乘积RC给出了器件的时间延迟。尽管离子导体的电阻R很大，但电介质的电容C却非常非常小。因此，RC时间延迟非常短。我们的致动器不受电阻的限制，而是受机械惯性的限制。
电压是如何引起变形的?介电弹性体是一种电绝缘体，是一种高度可拉伸的弹性体。当外部电路将电压施加到介电弹性体的薄膜上，薄膜的行为就像电容器一样。正电荷积聚在膜的一面，负电荷积聚在膜的另一面。正电荷和负电荷相互吸引，使膜的厚度减小，面积扩大。在过去的十年中，介电弹性体换能器的发展得到了广泛的关注。看到一个介电弹性体作动器的动画在维基百科。
人工神经肌肉系统．介电弹性体起人造肌肉的作用，在电刺激下能产生很大的变形。离子导体的作用就像人工神经元，能够带来电刺激。也就是说，离子导体支配着介电弹性体。这两种材料一起模拟了神经肌肉系统的功能，但不是解剖结构。
人工神经感觉系统．本文主要关注离子导体在高频和高压设备中的应用，但分层电解和介电弹性体也适用于需要低电压或低频的应用。当机械拉伸时，层状材料的面积增加，厚度减少，因此其电容增加。这种特性将使透明传感器在低电压下工作，能够在大范围内测量应变，并与软组织保形。这类装置可以调节神经感觉系统的功能。
人工神经元的力学．离子导体模仿神经元，能够在大脑、肌肉和感觉器官之间传递电信号。的大脑、肌肉和感觉器官可以是真实的(如生物电子学)，也可以是人造的(如软机器人)。
的补充材料本文描述了人工神经元的机制。如上所述，驱动频率不受RC延迟的限制，而是受机械惯性的限制。驱动应变随频率的增加而减小。RC延迟确实限制了离子互连的长度。电信号的振幅随距离而衰减。将离子互连与长神经元进行比较是一件有趣的事情。
我们还表明，粘弹性导致人造肌肉蠕动运动，以响应突然施加的电压。离子导体的弹性也很重要。我们制作了低弹性模量(~kPa)和小厚度(~0.1 mm)的离子导体，使离子导体不约束介电弹性体的变形。我们表明，在低频下，驱动应变受到机电不稳定性的限制。
潜在的应用．以下是一些明显的目标:
- 可拉伸的离子导体可用于制造软体机器人的人工神经肌肉和神经感觉系统
- 可拉伸的、生物相容的离子导体可用于制造生物医学设备。
- 可拉伸的、透明的离子导体可用于制造可调谐的光学器件。
- 透明的扬声器可以连接到窗口，以实现主动降噪。
每个设备设计者都会问这样一个问题:我可以用离子导体代替现有设备中的电子导体吗?该装置可能会失去一些性能，但可能会获得其他属性，如可拉伸性、透明度和生物相容性。我可以用这些属性做什么?我可以从零开始，设计一个可拉伸的离子装置，甚至没有电子对应?
我们的理论估计表明，离子导体可以在比10k赫兹高得多的频率下工作。人们应该能够制造出比扬声器快得多的设备。什么样的高频离子装置是有意义的?
水凝胶随着水的蒸发而变干．我们使用水凝胶是可拉伸的、透明的离子导体，因为它们易于制造且价格低廉。水凝胶是展示概念和制造需要生物相容性的设备的首选离子导体。我们还注意到，离子导体的多样性创造了一个大的候选池，其中一些避免了这个问题。例如，离子液体和被离子液体膨胀的凝胶是非挥发性离子导体。我们证明离子液体确实可以用作介电弹性体的导体。
挑战与机遇．用于可拉伸器件的离子导体的发展在力学和材料科学中提出了许多问题。下面是一些例子:
- 离子导体的寿命长吗?
- 离子导体与电子导体和电介质兼容吗?
- 我们如何保证设备反复拉伸时的附着力?
只有一种电子，但有无限多种离子。这种多样性将使离子导体能够被设计用于许多应用。l生命主要使用离子而不是电子来携带电荷。在创造生物医学和工程设备时，最好考虑以下机会:硬的和软的不一定要通过电子导体相遇;它们也可以通过离子导体相遇。
我们很想听听你的想法．你们中的许多人一直在研究软材料、可拉伸电子设备、传感器和执行器。你们中的一些人是软材料大变形或柔性结构大位移方面的专家。我们很想听听你对机遇和挑战的看法。同时，我们也很想了解你在相关领域的工作。请在下方留言。和往常一样，你的评论可以是与主题相关的任何东西，如果它与你自己的工作或你熟悉的工作有关，那将特别有价值。我们喜欢和你讨论。
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评论
问题
亲爱的中国,
谢谢你的一个非常可读和有趣的观点…你提出的问题，例如离子导体的可靠性，附着力等，是未来力学研究的有趣途径……当我阅读你关于这些材料的基本物理学的文章时，出现了几个问题:
(1)什么物理参数决定了在电子-离子导体界面上发生电化学反应的电压?
(2)我认为，由于涉及到较大的变形，介电常数(因此电容)本身将随着变形而变化。在你的工作中有证据证明这一点吗，或者这是一个问题吗?
(3)在典型的硅基半导体电子产品中，有严格的温度限制;例如，大多数器件的结温为200℃。假设，考虑到所涉及的材料，基于离子导体的电子产品的工作温度限制将会低得多。
问候,Pradeep
回答与可拉伸离子学相关的问题
亲爱的Pradeep，非常感谢你的评论。以下是对你的问题的快速回答。希望其他人也能加入进来。
回复:对有关可拉伸离子的问题的回应
嗨,伙计们,
有趣。尤其令人兴奋的是，离子导体可以模拟活体组织。关于第二个问题:介电常数是否取决于大变形?文中考虑了大变形对介质参数的影响这篇论文．这种影响可以忽略不计。因此，可以假定介电参数常数。
谢谢你这篇鼓舞人心的论文
亲爱的中国,
感谢您分享这篇非常鼓舞人心的论文，并在这里促进进一步的讨论。
我有一个关于盐水凝胶电阻率测量的小问题。我认为文中所示的电阻率结果是通过施加静电压和测量电流得到的。我说的对吗?是否测量过凝胶的电阻率(或阻抗)对施加电压频率的依赖性?
在我看来，凝胶导体的另一个可取之处可能是其机械性能的可调节性。例如，在制造过程中，凝胶导体的刚度可以很容易地改变或甚至图案化。不同的应用可能需要不同刚度的导体。
祝贺这篇优秀论文的所有作者。shengqiang
谢谢你的问题。
嗨Shengqiang,
谢谢你的关心。
是的，我们用静电压来测量水凝胶的电阻率。但我们测量饱和后的电流。
我们没有改变频率。因此，我们还不知道频率效应。
以下是测量的详细信息。
测定了水凝胶在单轴力作用下的电阻率。电阻采用四点探头测量。为了尽量减少离子对探针表面的影响，电阻在三个相对较大的电压下测量(20 ~ 50 V;饱和后的电化学电位和相应的电流要小得多。采用含1.37、2.74和5.48 M NaCl的水凝胶。当水凝胶未拉伸时，测得的摩尔电导率为120.19 Scm2/mol，接近报道的水溶液118.5 Scm2/mol [J]。O我。博克里斯，A. K. N.雷迪，《现代电化学》，第一卷(全会出版社，纽约，2002年第2版)，第434页。
如果您有其他问题，请告诉我!
谢谢你！
太阳。
有了这篇论文，大规模商业化的道路就更加清晰了
志刚，再一次祝贺你!
离子导体可能解决许多问题，并可能为机电换能器和其他物理类似应用的最终大规模商业化指明道路。我有以下问题:
1.由于凝胶状离子聚合物具有相当低的抗断裂性(与常驻电介质相比)，那么这种活性电介质的耐用性如何?
2.我注意到RC的时间尺度很小。漏电流在传导过程中起主要作用吗?
3.我不得不问它作为发电机的功能:如前所述，电容应该小，以确保一个小的RC时间。这也意味着由于预充电而由电介质持有的电荷可能非常小。这一微小的电荷量可以在很短的时间内耗散，从而不会使电学状态发生变化。我的问题是，你对它作为发电机的用途有什么看法?
谢谢你！
艾德里安
电介质弹性体发电机的激动人心的时刻!
亲爱的艾德里安,
谢谢你对我们工作的赞扬和这些有趣的问题!
以下是一些答案:
关于可拉伸的、透明的离子导体，一个很好的事实是它们包含了一大类材料。关于水凝胶的使用和抗断裂性能，请看下面的文章:
孙正云，赵宣和，Widusha R.K. Illeperuma，吴圭焕，David J. Mooney, Joost J. Vlassak，索志刚。高度可拉伸和坚韧的水凝胶．《自然》，489,133-136(2012)。
所制备的水凝胶具有与天然橡胶相同的优异断裂能。
图2)与不包含电介质的电路相比，我们设计的RC时间尺度(来自科学论文的图1)很小:对于只有电极-电解质-电极的电路，电子导体和离子导体之间的两个界面将表现为电双层电容器(http://en.wikipedia.org/wiki/Double_layer_(界面),http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_double-layer_capacitor)具有非常高的电容，从而导致非常长的RC时间。随着电介质串联的引入，串联连接的电容由相对小得多的电介质电容主导。这允许一个小的RC时间。
当使用离子导体和电子导体时，介电层产生的电容是相同的。因此，这不会影响泄漏特性。
然而，当切换到离子导体时，可能会对电流泄漏产生影响:电荷载流子的性质发生变化，从而与电介质的相互作用发生变化。为了更好地理解这种差异，我们做了一些初步测试。请查看补充资料部分的图S7。实验表明，至少在测试的参数空间(最大电场、湿度、温度、介电介质和离子导体类型)内，电子(碳脂)导体和离子(水凝胶和离子液体)导体的泄漏时间尺度差异不大。
如“ad2)”部分所述，使用电子导体的介电弹性体发生器的电容与使用离子导体的电容相同。对于发电机的高度拉伸状态，离子导体甚至可能是有利的:它们没有表现出渗透效应，因此潜在地允许更好的性能。此外，高拉伸状态下的电阻相对较低。
在介电弹性体发生器中使用离子导体的未来研究可能会产生非常有趣的新应用领域:全透明发生器;也许是生物相容的发电机?
激动人心的时刻!
Christoph
基于离子溶液的透明共形电极
亲爱的中国,
谢谢你张贴这个非常鼓舞人心的条目!祝贺Christoph, Jeong-Yun以及这篇具有里程碑意义的论文的所有共同作者!
离子溶液在自然界和人体中都很丰富，从海水到体液都有。根据电导率和稳定性等许多标准，这些离子溶液可能不是“良导体”。然而，它们确实在许多需要高透明度和高可变形性的领域找到了重要的应用。如果商业化的话，我绝对想要一个带有凝胶电极的透明扬声器。
我们小组在许多研究中也使用了基于离子溶液的电极。我们没有将它们制成凝胶，而是将它们放入容器中，或者简单地使用海水或体液等环境离子溶液作为接地电极。一旦施加高电压，透明的共形离子溶液电极确实可以观察到有趣的现象和重要的应用程序，如动态模式和防污涂料．
我也赞同你提出的这个新兴领域的挑战(或机遇)。例如，众所周知，高压下聚合物电介质中的水会引起树和electro-cavitation不稳定，这是有害的。如何保证系统在高压环境下的可靠性和稳定性?凝胶电极在循环变形下是否会疲劳?此外，我们发现石墨烯金属电极可以被制成超疏水的。是否有可能将不同类型电极的优点集成到一个系统中?所有这些都是有趣的问题，因此也为机制社区提供了机会。
Xuanhe
基于离子溶液的透明共形电极
亲爱的Xuanhe,
谢谢你的评论。
你说得对。离子溶液比电子导体具有更高的电阻率，而且通常稳定性较低。然而，在高拉伸时，离子导体的片电阻率可以比电子导体的片电阻率低几个数量级，如图4所示。我们在论文中也使用了离子液体作为离子导体(见图S6)支持材料）.众所周知，离子液体具有很高的热稳定性和不挥发性。它们可以制成凝胶(K. H. Lee等人)。作为高电容栅极介质的“切粘”橡胶离子凝胶．医学学报，24,4457-4462(2012))。由于离子的高度可组合性，离子液体的池几乎是无限的，并提供了寻找良好离子导体的机会，用于广泛的应用。
你还提出了使用离子导体的系统的可靠性和稳定性的问题。这确实是一个重要的因素，它将决定离子导体的实际应用，也考虑到商业化。在高压应用中使用离子导体涉及到新的尚未研究的物理学。重要的不仅是离子导体系统与电子导体系统在本质上是否具有不同的寿命，而且离子导体的选择对性能和可靠性的影响。我们已经在紧锣密鼓地研究这个问题，很快就会有结果。
可拉伸离子导体为设计具有新特性和功能的软机器提供了机会。通过将离子导体和电子导体结合在一个装置中，人们可以同时利用两者的优点——电子导体和离子导体。
菲利普
水凝胶的电阻比碳脂小得多
碳脂作为介电弹性体器件的导体已得到广泛应用。根据供应商碳脂的电阻率约为1欧姆-米。根据我们的测量，水凝胶的电阻率约为0.02欧姆-米(本文图4A）.因此，水凝胶的电阻比碳脂小得多。
当然,铜、银、金的电阻率都要低得多，大约比水凝胶低6个数量级。但将金属制成可拉伸的透明导体是一个挑战。看到一个Lipomi和Bao的综述文章．
改变游戏规则:一个问题变成了一个特点
亲爱的玄和:你发现了一个问题:水凝胶不如金属稳定。在永刚的评论中，他改变了游戏规则。他把这个问题写成了专题。水凝胶可以被制成可生物降解的，这样一个设备在完成它的有用功能后就可以消失了。你一定读过他们的论文瞬态电子．
面向应用的材料设计
亲爱的中国,
我非常感谢你和永刚提出的这一点。我们学习了传统应用中材料和结构的各种设计标准;导电性、稳定性和价格都属于传统电子产品中使用的导体。然而，新应用和新技术的出现确实改变了游戏规则。例如，动态防污涂料我们开发了简单地使用环境海水和体液作为接地电极，其导电性和稳定性甚至不如离子凝胶，但它们确实以几乎零成本满足了我们的应用要求。毫无疑问，人们在设计材料和结构时仍然需要考虑一套标准，但设计标准实际上是随着应用和技术的发展而发展的。
Xuanhe
被空气和液体变形的柔软材料
亲爱的玄和:您用盐水作为导体来驱动软材料的工作非常令人兴奋。这项工作还指出了一系列将流体与软材料混合的设备。弹性体可以与任何一种结合气动或液压．变形可能非常大，不稳定是司空见惯的。它们被用来制造软体机器人。下面是一些最近的例子:
一个常见的主题是使用大变形(和不稳定性)来做有用的事情。这个主题已经在iMech jClub上讨论过了由你和道格拉斯·霍姆斯．
利用大变形和不稳定性来实现功能，再一次将力学带到了工程的前沿。我们需要创造新的设计，将结构与功能联系起来。我们需要开发材料模型和计算工具，以使新兴的软机器领域成为可能。
透明扬声器证明了一点。但重点是什么?
透明的扬声器很吸引人。《新科学家》杂志的Sandrine Ceurstemont称之为离子的音乐．Jesse Emspak在福克斯新闻的报道标题为“透明的人造肌肉可以播放音乐”。报告在Gizmodo和瘾科技下面是读者的评论。评论被吸引到透明的扬声器上。它不溶于水，重量轻。它甚至可以折叠或变形。
透明扬声器能发出真正高质量的声音吗?会持续很长时间吗?也许吧，只要我们改进材料的选择。但本文并没有回答这些问题。
卡罗琳·佩里在她的新闻发布会上指出透明人造肌肉扮演格里格来证明一点．
关键在于:可拉伸的离子导体，加上可拉伸的电介质，可以制造出高频、高压、可拉伸的设备。除了导电性和可拉伸性，许多离子导体是透明的和生物相容性的。
我们对这项工作的兴趣超出了所使用的特定材料(水凝胶，VHB和铜)或演示的特定设备(透明致动器和透明扬声器)。我们希望这项工作将有助于开始改变看法。在某些器件中，可以用离子导体代替电子导体，这些离子导体带来新的特性。
如果离子导电性在这段时间内足够好，那么对于许多工程和生物工程设备来说，它一定足够好。让我们从电池等慢速装置中解放离子传导。
透明，弹性扬声器显示“软机器”的潜力
受我们透明扬声器上的所有新闻报道的启发，newsy.com(一个多源视频新闻服务，分析世界新闻并制作2至3分钟的流媒体视频片段)制作了一个制作精良的视频实况评论。请看这里:
http://www.newsy.com/videos/transparent-stretchy-speaker-shows-soft-mach..。
透明的扩音器播放新闻
另一个最近关于透明扬声器的新闻视频:
http://mashable.com/2013/09/17/gel-speakers-cancel-sound/
我也很喜欢读梅根·罗森在《科学新闻》上发表的一篇文章，其中引用了一些同样从事软机器研究的研究人员的话:
http://www.sciencenews.org/view/generic/id/352883/description/Stretchy_see-through_material_conducts_electricity
回复:杂志俱乐部2013年9月主题:可拉伸离子
亲爱的中国,
非常感谢您在这里与我们分享您的“幕后”见解。看到受到这部里程碑式作品启发的“电子学”的兴起，如果我可以冒昧地称之为“电子学”，确实是非常令人兴奋的。祝贺全体工作人员，是他们成就了这一切!
与可拉伸的电子器件(包括可拉伸光学器件和传感器)相比，对柔性和可拉伸致动器和发电机的研究要少得多(参见“柔性和可拉伸的电子设备为软机器人技术铺平了道路)，主要是由于缺乏机械匹配的高度可变形的导体-致动器对。与离子导体配对的介电弹性体为软驱动器和软发电机提供了理想的解决方案和机会。
我有三个问题:
1.除了人造肌肉外，软弹性致动器在人造心脏和心脏瓣膜中也有重要的应用。在这些情况下，可循环性和高电压会带来任何挑战吗?
2.对于植入式应用，环境中的离子流体对离子导体的可能影响是什么?如果需要封装，是否有材料解决方案?
3.离子导体-介电弹性体界面的粘附条件是什么?我知道水凝胶非常软(~kPa)，所以分层的驱动力可能非常小，但我仍然好奇是否观察到任何脱粘/滑动?
再次祝贺你，我迫不及待地想看到你的后续进展。
欢呼,
>
回应南叔的评论
亲爱的南树，非常感谢你的评论。我们很喜欢读你的文章。”柔性和可拉伸的电子设备为软机器人技术铺平了道路”。我也读过State-of-the-field讨论对软机器人有着浓厚的兴趣。你的一个观点很清楚:到目前为止，可伸缩电子设备在制造传感器方面很有效，但软机器人将需要执行器。祝贺你成为副主编《软机器人》杂志的研究员。
顺便提一下，有一本书的标题是Iontronics．这本书的重点是有机电子材料中的移动离子。我们把这个项目称为可拉伸离子学。
现在回答你的问题。
1.循环和高压会带来什么挑战吗？像大多数应用程序一样，疲劳可能是一个问题。然而，已经证明了可以运行数百万次的设备。随着该领域的发展，可靠性问题将受到更多关注。现在我不认为疲劳会阻碍演出。高压是一个严重的问题。目前，驱动所需的电场为10^8 V/m。即使你把单个层做得只有10微米薄，电压也会在1000伏左右。然而，对于传感，需要非常低的电压，如讨论我对永刚的回应．还有更多的高压问题。我会试着让Christoph和铁峰回复。他们两人都认真地注意这件事。
2.环境中的离子流体对离子导体可能有什么影响？我认为在许多应用程序中都需要某种形式的封装。水凝胶已被用于组织工程和药物输送。我们应该能够从过去的经验中学习。
3.离子导体-介电弹性体界面的粘附条件是什么？Jeong Yun发现，如果在附着之前用氮气干燥水凝胶的表面，水凝胶和电介质之间的附着力会得到改善。对于我们的演示来说，附着力足够好，但分层问题在未来的研究中值得重视。
高压器件可安全小巧!
关于高压的问题，我想再谈一谈:
人们普遍认为，高压是危险的，是你想要避免的。实际上，关于这一点还有很多要说的。与高压相关的危险在很大程度上与电路的电容成正比，因此在短路的情况下，最大电流和功率暴露。
与介电弹性体换能器的情况一样，它们可以在高电压下工作，但电流/电容非常低。通常，介电弹性体致动器的电容范围为1至1000皮频。即使在触摸这样一个设备的情况下，这也是安全的。我们每个人都经历过来自周围物体的小电容源的静电放电，例如一件套头衫。
此外，高电压可以用一个小的封装:因为我们不一定需要高电流来操作介电弹性体致动器，我们可以使用额定功率较低的放大器。举个例子，请看EMCO的硬币大小的放大器:
http://www.emcohighvoltage.com/pdfs/agseries.pdf
这个小装置可以由手表或手机电池供电，产生高达6000V的电压!
Christoph
亲爱的志刚，我读到，
亲爱的中国,
我饶有兴趣地读了你的论文这是一个非常鼓舞人心和有趣的话题．这确实是一个突破，并且在新的电子和离子系统中具有很大的潜力。的成功
电介质致动器中的离子型导体无疑将启发许多人
软体机器人的后续工作很有趣。
以下是一些问题:
1）
是否有可能使用施加的张力来调音
离子型导体的电阻在相对较宽的范围内(例如，多次变化)，以可逆的方式?这很难通过使用来实现
传统金属导体。
2）
水凝胶是生物可溶的吗
人体的化学环境)?是
主动设计离子导体的寿命是可能的，这样
他们会在期望的工作时间后消失吗?
3）
你能想象离子的应用吗
只需要小电压(例如<20 V)的类型导体，这可能
是否更适合生物综合用途?
再次感谢你发布这个鼓舞人心的工作。
回复永刚的评论
亲爱的永刚:非常感谢你的溢美之词。他们对我和我的学生来说意义重大。你和约翰·罗杰斯的工作塑造了可伸缩电子领域。在我们的论文中，我们试图将两个激动人心的领域:可拉伸电子学和介电弹性体换能器联系起来。这两个领域已经确定了一个共同的需求:高度可拉伸的电导体。我们的论文描述了一种解决方案:离子导体。这个解决方案将会产生新的问题，也会带来新的机会。从你和其他人的评论中，我们发现了这两方面的一些问题。
以下是对你的问题的快速回答。
1.应变能否以可逆的方式大量改变离子导体的电阻?是的。通过纯粹的几何论证，可以证明导体的电阻在拉伸上是二次的(第6页)补充信息）.这一理论预测与我们的实验数据吻合得很好(图4A)纸）.在实验中，我们使用单向力将水凝胶弹性拉伸超过其原始长度的6倍。阻力增加到36倍以上。
2.水凝胶可生物降解吗?我们的实验使用共价交联的聚丙烯酰胺水凝胶，它是不可生物降解的。然而，可生物降解的水凝胶已经研究了好几年。人们应该能够找到一种既可生物降解又导电的水凝胶。
3.你能想象离子导体的任何应用只需要小电压(例如<20 V)吗？是的。我们的纸以下面的句子结尾:“本文关注的是离子导体在高速高压设备中的应用，但分层电解和介电弹性体也适用于需要低电压或低频的应用。当机械拉伸时，层状材料的面积增加，厚度减少，因此其电容增加。这一特性将使透明传感器能够在低电压下工作，能够在大范围内测量应变，并与软组织保形。”
回复永干的评论
亲爱的中国,
我同意你可以通过增加面积和减少厚度来增加电容。这也将以相同的因子增加响应时间，这意味着响应时间将以数量级增加。这是个问题吗?对于低电压，你有什么想法?
响应时间
嗨,马特,
是的，你说得对。当机械拉伸时，电容和响应时间(RC时间)都会增加。通过考虑几何形状，我们可以证明电容的尺度是拉伸的四次方，而RC时间尺度是拉伸的六次方(第11页)补充信息）.对于这里考虑的代表性值，这个RC时间在6的范围内仍然比毫秒快。此外，考虑到RC时间总是可以由执行器设计在尺寸方面进行操纵，RC时间不是响应速度的基本限制，特别是对于小型设备。
基思
离子的皮肤
齐格弗里德·鲍尔刚刚在自然材料一个透视电子皮肤的最新技术．另请参阅高雄Someya的一篇题为生化人的仿生皮肤．
近年来，许多可拉伸传感器阵列已经被证明，其复杂性越来越高。这些传感器需要柔软和可拉伸，这样它们就不会约束软组织，也不会断裂。这些传感器阵列使用电子导体。一个主要的挑战是使电子导体可拉伸。我复习过了可伸缩电子和软机械力学．
的最后一段我们的科学论文，我们描述了使用离子导体开发传感器的前景。离子导体可以很容易地实现可拉伸性、生物相容性和透明性。它们更好地模拟神经。敏感皮肤的发展很快。我们很快就会看到离子皮。
我期待在iMechanica上看到关于iSkin的文章。万博manbetx平台
回复:杂志俱乐部2013年9月主题:可拉伸离子
亲爱的中国,
祝贺并感谢您分享您在可拉伸和透明离子导体背后的鼓舞人心的见解。基于电子导体的可拉伸电子器件需要复杂的机械设计(例如，蛇形)。可拉伸离子导体将为具有非常高覆盖面积的可拉伸电子产品提供简单设计的可能性。
在通读论文时，出现了一些关于电阻率比较的问题。
将离子导体的电阻率与单壁碳纳米管的电阻率进行了比较，拉伸率可达800%。CNTs通常在几十%的应变下断裂。你在实验中观察到碳纳米管断裂了吗?碳纳米管(导体或半导体)的电子性质取决于其半径和手性。您是如何选择碳纳米管进行电阻率比较的?
冀州市
谢谢你的问题。
亲爱的,
谢谢你的问题。
碳纳米管的电阻率数据不是我们自己测量的。
我们使用了裴教授的数据，并引用了他的论文[L。胡伟，袁伟，P. Brochu, G. Gruner, Pei .，高可拉伸、导电和透明纳米管薄膜。达成。理论物理。通讯，94,161108(2009)。
不幸的是，我无法从他们的论文中得到关于碳纳米管半径和手性的信息。
您可以联系裴教授了解他们使用的碳纳米管的详细信息。
谢谢你！
太阳。
非常鼓舞人心的工作!谢谢,中国!
亲爱的中国:
谢谢你张贴这个鼓舞人心的工作!我怀着极大的兴趣读了你的论文。这是制造可拉伸离子导体的开创性工作。祝贺你和你的团队!
我有几个问题要讨论:
(1)离子弹性体热稳定吗?分裂吗?
(2)当可拉伸离子导体与微型设备集成时，您认为会出现哪些新问题?有兼容性问题吗?
(3)关于运行电压过低的后续问题，你已经回答了。如果你能提供帮助，会很有帮助E一些代表性的值。
谢谢你，再次祝贺你!
谢谢你！
嗨Hanqing,
感谢您对我们工作的关注!
以下是一些答案:
(1)我们的大多数目标应用将在室温或体温下运行。在这个温度范围内，大多数离子弹性体是稳定的。我们已经提到，离子导体代表了一大类材料。对于需要在高温下操作的应用，水凝胶不是最佳选择。找到能忍受更恶劣环境的离子导体确实是非常有趣的。
(2)我设想，当长度尺度变得如此之小，以致电路的电阻超过可容忍的范围时，会出现问题。离子导体，至少在未拉伸状态下，比金属具有更高的电阻率。因此，离子导体在导电通道小型化方面受到更多限制。然而，离子导体本质上是柔软和可拉伸的，因此它将更容易与生物系统连接。
(3)对于低电压应用，我们必须区分驱动和传感:
感应将有可能与电压远低于1伏。
静电致动是由电场控制的。因此，所需的电压将取决于电介质的厚度。应该有可能把它们降到1kV以下。
Christoph
水凝胶电极的皱纹?
亲爱的中国,
谢谢你发表这个鼓舞人心的话题。我们读了你的论文，学到了很多。祝贺你和你的团队完成了这项美丽的工作!
圆形作动器是电介质弹性体的一种常用和简单的演示，其中强制执行固定位移约束。如果施加的电压超过一个临界值，弹性体失去其张力状态，将发生皱折。这一现象被许多研究者观察到，而且起皱过程是可逆的。用于具有弹性电极的介电弹性体，皱纹也被观察到。
我的问题是，您的学生在您的实验中是否观察到水凝胶电极的褶皱?皱折是否与介电弹性体的失效有关?另一个问题是，水凝胶电极的起皱是否会影响水凝胶与介电弹性体之间的粘附?
Jinxiong
RE:水凝胶电极的皱纹?
亲爱的Jinxiong,
是的，在足够高的电压下，我们在实验中观察到活跃区域的皱纹。水凝胶层的刚度远低于介电层的刚度。因此，它们没有明显地约束弹性体。施加步进电压后，在有源区局部出现皱纹。由于弹性体的粘性蠕变，皱纹逐渐蔓延到活动区域，直到击穿发生。这种行为与使用碳脂作为电极材料时非常相似。参见C. Keplinger等人。达成。理论物理。Lett. 92, 1929032 (http://www.mendeley.com/download/public/5685731/3963543301/c05663a5d773d..。）.
随着离子导体从介电层剥离，你提出了一个非常重要的问题，我们设计的可拉伸离子导体的功能能力是由不同组件之间界面的剪切强度决定的。在我们使用介电弹性体作动器的实验中，起皱不会导致分层，但我们在非常高的拉伸和高频率下观察到分层。在我们的论文中，我们使用VHB 4910作为介质，它是一种胶带。这使得我们可以简单地将水凝胶在表面干燥后粘在VHB上。在无数种不同离子导体和介电材料的可能组合中找到一种良好的组合，甚至是物理粘合这些层，可能是未来工作的目标
菲利普
杂志俱乐部2013年9月主题:可拉伸离子
很酷的论文，志刚。它开启了许多可能性，并提供了思考的食粮。
1)随着时间的推移，凝胶会发生很大的变形
显著离子流体通过凝胶的孔隙输送，因此
耗散能给出(a)高内摩擦和低Q，以及(b)
凝胶的某些力学性能的变化，如增加
各向异性，随时间变化。如果变形非常快，预计会产生流动
受到限制，因此q值很高
系统的系数可能取决于振荡的频率。
你在报告中发现这种趋势了吗?
2)模仿神经肌肉连接或神经元本身的概念
是有趣的。我在徘徊记忆是否也可以被模仿，
即，转导是否依赖于先前的变形史或
电压应用程序?如果是这样，是“记忆”的保留取决于一个
最小电压应用次数和电压值?
对塔希尔关于可拉伸离子学的回答
亲爱的父亲:非常感谢您的评论。溶剂在聚合物网络中迁移，但可能速度太慢，无法产生你想要的效果。对于水凝胶，我们已经在之前的几篇论文中测量了水通过聚合物网络迁移的有效扩散率(例如，这篇论文）.一个代表性的值是D = 10^-10 m^2/s。我们设备中使用的水凝胶厚度为H = 100 um。因此，松弛时间约为H^2/D = 100s。这种松弛时间比循环实验所用的时间尺度长得多。我们实验中使用的频率范围从1赫兹到20千赫。在我们的实验中，我们没有观察到你提到的效果。但我们也没有寻找这样的效果。上述估计是否解决了您的问题?我们是否应该在上述估算中使用另一种长度尺度?
我们能用离子导体制造人工存储器吗?这个问题在我们内部讨论中已经提过好几次了，但我们还没有认真考虑过。我觉得我们可以，因为人工记忆只需要模仿真实记忆的功能，而不需要模仿真实记忆的结构。例如，原始存储器可以是具有可位状态的结构。
是的,中国。它回答我的问题。
是的,中国。它回答了我的问题。我猜是凝胶的孔径太小导致了扩散系数太小。
至于记忆，我更多的是沿着模拟记忆的路线思考，而不是数字记忆，因为它发生在自然神经系统中，由于突触的可塑性。或许值得探索的是，凝胶系统的“一种特性”是否会因“一种刺激”的重复应用而发生变化，并随着时间的推移而在神经元中发生变化。这意味着，凝胶记得它过去的历史。
透明人工肌肉
亲爱的中国,
祝贺并感谢你分享这个了不起的工作。
碳脂是非常普遍使用的电极在
介电弹性体致动器。然而，他们真的是凌乱和黑色。生物
肌肉可能是透明的，例如，水生色素细胞中的肌肉。它
让人造肌肉更接近自然是有趣和有意义的吗
肌肉。
除了应用于扬声器，离子导体还可以
在光学上也有广泛的应用，比如软晶状体或人工眼睛，
由于透明度。
志刚将在23日的计算会上作一次全体报告
机械工场(http://www.iwcmm23.org/program.html）.
很高兴见到志刚，并很快了解到他鼓舞人心的工作。
剑
回复:透明人造肌肉
亲爱的简:非常感谢您友好的来信，感谢您的盛情款待。我在新加坡玩得很开心。很高兴看到你和艾德里安建立了自己的实验室用介电弹性体做有趣的实验有了有趣的发现。您正在开发的应用程序是及时的。
通过合作，你们也把其他强大的团体带进了这个领域。介电弹性体被定位为许多技术的平台，就像压电陶瓷一样。为了开发这个新平台，不同背景的人可以以不同的、通常是意想不到的方式做出贡献。
祝你的项目和合作顺利!
亲爱的志刚，谢谢你
亲爱的中国,
感谢你的分享，并祝贺所有为这项鼓舞人心的工作做出贡献的人。
这里有两个要点。
1.水凝胶的均匀性怎么样?我们可以用来制作电极图案的最小长度是多少?
2.正如你之前所说，水凝胶是一个很好的结合力学和化学的平台。你有没有想过在材料中加入一些功能分子，使其多功能?例如，将“Spiropyran“在水凝胶中，你可以制作一种可以在拉伸时改变颜色的装置，你也可以改变材料的表面润湿性。
谢谢你，余航!
亲爱的余杭,
很高兴看到你加入这个讨论!希望你不断壮大的家庭一切安好。
对你的问题有几点看法:
1.均匀的厚度对于需要大面积均匀机械性能的水凝胶的应用是很重要的。我们实现同质特性的能力将与所采用的制造技术齐头并进。水凝胶和相关的离子导体在制造方面非常灵活:让我们想想3d打印，旋转涂层或相关技术。
另一方面，如果我们使用厚度等非均匀特性作为特征，这将对构建可调谐光学器件(例如具有可变焦距和光圈的透镜)具有很大的优势。
离子导体的最小可行长度尺度将由可拉伸电路的最大允许电阻规定。在任何情况下，我认为，水凝胶的3d打印应该让我们进入这个有限的长度尺度的特征尺寸。
2.伟大的思想!我们希望进一步探索具有可调特性的水凝胶，如颜色或润湿性。事实上，离子导体丰富的物理、机械和化学特性是让我们对可拉伸离子感到兴奋的原因之一!
Christoph
可拉伸离子的粘性先导物
论文最初提交给科学包含两个首字母缩略词和一个短语:
“可伸缩离子学”是这篇论文早期草稿的暂定标题。
编辑指出这两个首字母缩略词让人分心。“可拉伸的离子学”这个词出现在了发表的论文中，但粘性的领先者却不见了。
除了让人分心，这些首字母缩略词还低估了离子导体的能力。STIC这个缩写忽略了离子导体的许多其他属性。一个更完整的清单可能是
首字母缩略词LEADER过分强调了特定的配置。当然，除了层状几何结构外，人们还可以考虑介电-电解质-电极的多种结构。
这些首字母缩略词确实以其有限的方式发挥了一些作用。STIC列出了本文论证的关键属性。LEADER是一个具有有趣属性的配置。
非常有趣的
非常有趣的工作!
不稳定性问题一定很有意义。
变形看起来不均匀，是否容易控制变形。
电介质弹性体换能器的商业化
2011年6月，我写了一篇Pulse上的帖子一种基于介电弹性体的商业产品。该产品在亚马逊上架但现在已经是了停止．这个产品的主要开发者是人造肌肉公司该公司成立于2004年。
一家初创公司推出了一款不同的产品StretchSense．昨天，Christoph和我见到了StretchSense的首席执行官Ben O'Brien。本以前见过我们当时他还是个优秀的研究生伊恩•安德森．StretchSense生产高度可拉伸的应变传感器。软机器人、可伸缩电子和生物电子学都需要这些传感器。使用其他技术很难实现该功能，但使用介电弹性体很容易实现。一定要看这个YouTube视频公司出品。
另一家最近成立的公司是兼容的传感器系统由伽柏Kovacs．这是一个YouTube视频他们的堆叠驱动器。
跟踪这些商业发展将是有用的。当你发现更多时，请留下评论。
的应用
可拉伸离子的应用可能超出介电弹性体的电极。例如,SPS战略聚合物是开发pvdf基介电聚合物新技术和产品的先驱张启明教授的组。基于PVDF的聚合物大多处于半结晶状态，而PVDF致动器的结构与介电弹性体致动器相同，在两个电极之间夹有聚合物薄膜。有一个视频在该公司的网站上展示了一个原型产品。
将离子导体与各种电介质配对
亲爱的宣和:非常感谢你指出启明的公司和PVDF。你说得很好:离子导体可以和各种介质配合使用。离子导体具有可拉伸性、透明性和生物相容性等特性，但每当一种材料被引入新应用时，它们也会带来兼容性和可靠性等挑战。我们必须看看新属性是否值得这么麻烦。
在撰写论文时，我们发现先前的工作使用PVDF(一种压电聚合物)来制造薄膜扬声器(参考文献21和22引用于我们的论文）.我们写了下面的内容。“将离子导体与透明压电聚合物配对将利用离子导体的高透明度;与介电弹性体相比，压电聚合物可以在更低的电场下工作，并且电场与应变之间具有线性关系(21,22)。并不是离子导体的所有特性在给定的应用中都是重要的。在这种情况下，大的拉伸性是不重要的。
这里的一些学生一直在寻找合适的PVDF选择。你的评论非常及时。谢谢你！
但更一般地说，我们应该考虑将各种离子导体与各种介质配对，用于各种设备。这个空间非常大，找到一些特别有价值的组合确实是一项有趣的任务。
几天前我遇见了
几天前，我遇到了michael Wang，他是一位从事硬质机器人研究多年的机械工程师。他对基于DE技术的软体机器人表现出极大的兴趣。
他给我们做了一个讲座，展示了硬质机器人的传统研究方法，以及应用和商业化。正如他所指出的那样，除了概念设计的美丽想法之外，将软机器人推向应用的关键应该是对功能和控制进行复杂但非常有效的建模，就像他们在硬机器人上所做的那样。这个想法启发了我，我们正在考虑进一步的合作。
更多关于介电弹性体的商业化
伊恩•安德森给我发了电子邮件，指出人造肌肉公司正忙着ViviTouch一种基于介电弹性体的肝技术。看视频ViviTouch技术
进一步介绍介电弹性体的商业化
伽柏Kovacs给我发邮件说，创业公司Optotune正在成功地生产和销售一种基于介电弹性体的产品。透射式激光散斑减速器．
RE:电介质弹性体换能器的商业化
嗨，志刚，谢谢你的介绍!我认为这更
能创业的公司越好。这将为……提供更多资金
研究人员，提高了技术的知名度，并带来了经济效益
规模。这是一个激动人心的时刻!
为什么基于弹性体的传感器很重要
克里斯托夫指给我看这个采访本•奥布莱恩他是StretchSense的首席执行官。Ben谈到了基于弹性体的传感器的重要性。
路透社关于可拉伸离子的视频
这视频本·格鲁伯是汤森路透的记者。