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2013年9月杂志俱乐部主题:可拉伸离子
在一个论文刚刚发表于科学，我们描述了一类器件制造使用可拉伸的，透明的，离子导体。这些设备是高度变形和完全透明的。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。的科学杂志进行了访谈内容，这篇文章也涉及了一些相同的内容。
动机．在过去的一个世纪里，电子工程设备兴起，其中电子携带电荷。然而，电子学的成功崛起并没有削弱另一项历史悠久得多的成功——离子电子学，一种基于离子和水的电荷传输的自然解决方案。我们生活在两个平行的世界:电子世界和离子学世界。
这两个世界相互交流。我们看电视和听收音机。我们在全球定位系统的引导下开车。这两个平行世界——工程世界(使用电子)和自然世界(使用离子)——之间更加密切的交流正在创造一个混合领域:生物电子学。应用的例子包括电极阵列，其中医疗仪器的电子设备与组织和细胞的离子电子学相遇，以及脑机接口，通过皮质离子脉冲控制假肢。一个人的大脑可以通过电子设备和互联网控制另一个人的手指。人的思想能使老鼠的尾巴动起来。
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构成。为了使电子设备能够与皮肤、心脏和大脑相连接，我们需要可拉伸导体。在非生物医学应用中也需要可拉伸导体，如软机器人和可调谐光学。看到一个作者:约翰·罗杰斯在同一期的科学。
现有可拉伸导体的局限性．现有的可拉伸导体大多是电子导体，包括碳脂、微裂纹金膜、蛇形金属丝、碳纳米管、石墨烯片和银纳米线。除电导率和拉伸性外，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%或更多的面积扩张时保持导电，具有生物相容性，并且透明的。
虽然电子导体很难满足这些要求，但离子导体很容易满足其中大部分要求。许多离子导体，如水凝胶和离子凝胶，采取固体形式，并且是可拉伸且透明。许多水凝胶与组织具有生物相容性和适形性从细胞到分子尺度。
什么是可拉伸的透明离子导体？当盐在水中溶解并形成离子时，离子是在水中移动的电荷。因此，盐水是透明的离子导体。
但盐水是液体，我们的设备需要固体导体。我们将盐水与聚合物网络结合制成水凝胶。盐水可以导电，聚合物网络提供固体形式。水凝胶就像果冻，但更有弹性。这种水凝胶可以拉伸到其长度的五倍以上。
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。
如何使用离子导体制作高压器件。当电子导体和离子导体之间的界面上的电压超过1v数量级时，就会发生电化学反应。如何在不引起电化学反应的情况下使用离子导体制造高压器件?我们的装置由两个电容器串联组成:一个电容器是电极(电子导体，铜)和电解质(离子导体，水凝胶)之间的接口，另一个电容器是电介质。这两个电容器的电容差别很大。当在设备上施加高电压时，电极/电解质界面上的压降很小，因此不会发生电化学反应。本装置实现了无电化学反应的机电换能器。
如何利用离子导体制作高频器件．离子导体的电导率大约比铜的电导率小6个数量级。我们如何使用离子导体来制造高频设备，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给出了器件的时延。即使离子导体的电阻R很大，电介质的电容C却非常非常小。因此，RC时延非常短。我们的执行机构不受电阻的限制，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。当一个外部电路对介电弹性体薄膜施加电压时，薄膜就像一个电容器。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，导致膜的厚度减小，面积扩大。在过去的十年中，人们一直致力于介电弹性体换能器的开发。看到一个介电弹性体驱动器的动画在维基百科。
人工神经肌肉系统．介电弹性体的功能是人造肌肉，能够在电刺激下产生大变形。离子导体起到人工神经元的作用，能够带来电刺激。也就是说，离子导体支配介电弹性体。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．本文主要介绍离子导体在高频和高压下工作的器件中的应用，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，层状材料增加面积并减少厚度，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，并与软组织共形。这样的装置可以发挥神经感觉系统的功能。
人工神经元的力学．离子导体模拟神经元，能够在大脑、肌肉和感觉器官之间发送电信号。的大脑、肌肉和感觉器官都可以是真实的(例如，在生物电子学中)，也可以是人造的(例如，在软体机器人中)。
的补充材料本文描述了人工神经元的机理。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很有趣的。
我们还表明，粘弹性导致人造肌肉在响应突然施加的电压时爬行运动。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，在低频时，驱动应变受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、透明的离子导体可用于制造可调谐光学器件。
- 透明的扬声器可以安装在Windows上以实现主动噪声消除。
每个设备设计者都会问这样一个问题:我可以用离子导体替换现有设备中的电子导体吗?该设备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?我能从头开始，设计一个可伸缩的离子装置吗?它甚至没有对应的电子元件?
我们的理论估计表明，离子导体可以在比10k Hz更高的频率下工作。人们应该能够制造比扬声器快得多的设备。什么样的高频离子器件有意义?
水凝胶随着水的蒸发而变干．我们使用水凝胶是一种可拉伸的透明离子导体，因为它们易于制造且价格低廉。水凝胶是离子导体的选择，以证明概念，并制造需要生物相容性的设备。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，离子液体和离子液体膨胀凝胶是不易挥发的离子导体。我们证明了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领域提出了许多问题。下面是一些例子:
- 离子导体的寿命长吗?
- 离子导体能与电子导体和电介质兼容吗?
- 当设备被反复拉伸时，我们如何确保附着力?
电子只有一种，而离子却有无数种。这种多样性将使离子导体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:硬和软并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。
我们喜欢听你的想法．你们中的许多人一直在研究软材料、可拉伸电子产品、传感器和执行器。你们中有些人是软质材料大变形方面的专家，或者是柔性结构大位移方面的专家。我们很乐意听到关于机遇和挑战的消息。另外，我们也很想了解您在相关领域的工作。请在下方留言。与往常一样，你的评论可以是任何与主题相关的，如果它与你自己的工作有关，或者与你所熟悉的工作有关，那么它将特别有价值。我们喜欢和你讨论。
本文引用的链接
- YouTube视频透明扬声器。
- Christoph Keplinger，孙正云，傅春江，Philipp Rothemund, George M. Whitesides, suzhigang。可拉伸，透明，离子导体．科学341年,984 - 987(2013)。
- 补充材料（材料与实验方法。理论。四个电影)。
- 访谈内容．
- 约翰·a·罗杰斯，软执行器的一个明显进步．科学进展(2013)。
- 维基百科页面介电弹性体．
评论
问题
亲爱的中国,
感谢你提供了一个非常有可读性和有趣的观点……你提出的问题，例如离子导体的可靠性，粘附性等，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，我提出了几个问题:
(I)什么物理参数决定了在电子-离子导体界面上会发生电化学反应的电压?
(2)我认为，由于涉及到大变形，介电常数(因此电容)本身也会随着变形而变化。在你的作品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器件中，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，离子导体电子产品的工作温度限制将会低得多?
问候,Pradeep
回答有关可拉伸离子的问题
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:回答有关可拉伸离子的问题
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?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。
谢谢你那篇鼓舞人心的论文
亲爱的中国,
感谢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。
我有一个关于测量盐水凝胶电阻率的问题。我认为文中所示的电阻率结果是通过施加静态电压和测量电流得到的。我说的对吗?凝胶的电阻率(或阻抗)对施加电压频率的依赖性有任何测量吗?
在我的脑海中出现的凝胶导体的另一个可取的优点可能是其机械性能的可调节性。例如，凝胶导体的刚度可以很容易地改变，甚至在制造过程中形成图案。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
谢谢大家的提问。
嗨Shengqiang,
谢谢你的兴趣。
是的，我们用静态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。
以下是关于测量的细节。
测量了水凝胶在单轴力作用下的电阻率。电阻用四点探针测量。为了尽量减少离子积聚在探针表面的影响，用三个相对较大的电压(20 ~ 50 V;电化学电位要小得多)和饱和后相应的电流。使用含1.37、2.74和5.48 M NaCl的水凝胶。当水凝胶不拉伸时，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1卷(全会出版社，纽约，2002年第2版)，第434页。
如果您还有其他问题，请让我知道!
谢谢你！
太阳。
有了这篇论文，大规模商业化的道路变得更加清晰
志刚，再次祝贺你!
离子导体潜在地解决了许多问题，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。我有以下几个问题:
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)，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。电流泄漏在传导过程中起主要作用吗?
3.我不得不问一下它作为发电机的功能:如前所述，电容应该小，以确保小的RC时间。这也意味着电介质由于预充而持有的电荷可能非常小。这一微小的电荷可以在如此短的时间内消散，以至于电状态不会发生任何变化。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
介电弹性体发生器激动人心的时代!
亲爱的艾德里安,
感谢您对我们工作的赞扬，也感谢您提出的这些有趣的问题!
以下是一些答案:
1)关于可拉伸、透明的离子导体的一个很好的事实是，它们由一大类材料组成。关于水凝胶的用途和抗断裂性能，请看下面这篇论文:
孙正云，赵宣和，Widusha R.K. Illeperuma，吴庆焕，David J. Mooney, Joost J. Vlassak，索志刚。高度拉伸和坚韧的水凝胶．自然489,133-136(2012)。
本文制备的水凝胶具有与天然橡胶相同的优异断裂能。
ad 2)与不含介电的电路相比，我们设计的RC时间尺度(图1来自Science论文)较小: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接口将表现为双层电电容器(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。随着串联电介质的引入，串联连接的电容被相对小得多的电介质的电容所支配。这允许一个小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。
切换到离子导体时，可能会对电流泄漏产生影响:载流子的性质发生了变化，从而改变了与电介质的相互作用。我们做了一些初步测试，以更好地理解这种差异。请看补充资料部分的图S7。实验表明，电子导体(碳脂)和离子导体(水凝胶和离子液体)的泄漏时间尺度几乎没有差异，至少在测试的参数空间(最大电场、湿度、温度、介质类型和离子导体)内是如此。
如“ad 2)”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:它们不表现出渗透效应，因此潜在地允许更好的性能。此外，高度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?;也许是生物兼容发电机?
激动人心的时刻!
Christoph
基于离子溶液的透明保形电极
亲爱的中国,
谢谢你贴出这篇非常鼓舞人心的文章!祝贺Christoph, Jeong-Yun，以及这篇里程碑式论文的所有合著者!
离子溶液在自然界和人体中大量存在，从海水到体液都有。根据导电性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小众应用。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。
我的团队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，或者简单地使用环境离子溶液(如海水或体液)作为接地电极。一旦施加高电压，透明的保形离子溶液电极确实能够观察到有趣的现象以及重要的应用，如动态模式和防污涂料．
我也回应了你对这一新兴领域提出的挑战(或机遇)。例如，已知聚合物介质中的水在高压下会引起树和electro-cavitation不稳定，这是有害的。如何保证系统在高压应用中的可靠性和稳定性?凝胶电极在循环变形下会疲劳吗?此外，我们发现石墨烯金属电极可以被制成超疏水电极。是否有可能将不同类型电极的优点整合到一个系统中?所有这些都可能是有趣的问题，因此也是机制交流的机会。
Xuanhe
关于:基于离子溶液的透明保形电极
亲爱的Xuanhe,
谢谢你的意见。
你说得对。离子溶液的电阻率比电子导体高，通常稳定性较低。然而，离子导体的片材电阻率在高拉伸时可以比电子导体的片材电阻率低几个数量级，如图4所示。在本文中，我们还使用了离子液体作为离子导体(见论文的图S6)支持材料)．离子液体具有较高的热稳定性和不易挥发性。它们可以制成凝胶(K. H. Lee et al.， "切割并粘贴“橡胶离子凝胶作为高容量栅极介质．学报学报，24,4457-4462 (2012))由于离子的高度结合性，离子液体的池几乎是无限的，并为广泛应用提供了寻找良好离子导体的机会。
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使用，也考虑到商业化。在高压应用中使用离子导体涉及新的，尚未研究的物理。重要的不仅是具有离子导体的系统是否本质上与具有电子导体的系统具有不同的寿命，而且还包括离子导体的选择对性能和可靠性的影响。我们已经在加紧研究这个问题，很快就会有结果。
可拉伸的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设备中，人们可能能够利用两个世界的优势——电子传导和离子传导。
菲利普
水凝胶的电阻性比碳脂小得多
碳脂已被广泛应用于介电弹性体器件的导体。根据供应商时，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(本文如图4A所示)．因此，水凝胶的电阻性比碳脂低得多。
当然,Cu、Ag、Au的电阻率低得多，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项挑战。看到一个Lipomi和Bao的评论文章．
游戏规则改变者:问题变成特征
亲爱的宣和:你发现了一个问题:水凝胶不像金属那么稳定。在永刚的评论中，他改变了游戏规则。他把这个问题变成了特稿。水凝胶可以被制成可生物降解的，这样设备在发挥有用功能后就可以消失。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准则;导电性、稳定性和价格是传统电子产品中使用的导体的三大因素之一。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低于离子凝胶，但它们确实满足了我们的应用要求，几乎为零成本。毫无疑问，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软质材料
亲爱的宣和:你用盐水作为导体驱动软质材料的工作非常令人兴奋。这项工作还指出了一大批将液体与软材料混合的装置。弹性体与两者结合气动或液压．变形可能很大，不稳定也很常见。它们被用来制造软体机器人。以下是最近的一些例子:
一个常见的主题是利用大变形(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来实现功能，再一次把力学带到了工程的前沿。我们需要创造新的设计，将结构与功能连接起来。我们需要开发材料模型和计算工具，以实现新兴的软机器领域。
透明扬声器证明了一点。但这有什么意义呢?
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．杰西·埃姆斯帕克在福克斯新闻的报道标题是透明人造肌肉播放音乐”。报告在Gizmodo和瘾科技后面附有读者的评论。评论被吸引到透明的扬声器上。它是透明的，重量轻。它甚至可以折叠或变形。
透明扬声器真的能发出高质量的声音吗?会持续很久吗?也许，当我们改进材料的选择时。但是这篇论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这一点．
重点是:可拉伸的离子导体与可拉伸的介质一起，可以制成高频、高压、可拉伸的器件。除了导电性和可拉伸性，许多离子导体都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)或所演示的特定设备(透明驱动器和透明扬声器)。我们希望这项工作将有助于开始改变观点。在一些器件中，电子导体可以被离子导体取代，这些离子导体带来了新的特性。
如果离子导电性对生命来说足够好，那么它对许多工程和生物工程设备来说也一定足够好。让我们把离子传导从电池等慢速设备中解放出来。
透明可伸缩扬声器展现“软机器”潜力
受我们透明扬声器上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- 3分钟的流媒体视频片段)制作了一个制作精良的视频，并配有现场评论。看看这里:
http://www.newsy.com/videos/transparent-stretchy-speaker-shows-soft-mach..。
透明扩音器播放新闻
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Meghan Rosen在《科学新闻》上写的故事，其中引用了一些研究软机器的研究人员的话:
http://www.sciencenews.org/view/generic/id/352883/description/Stretchy_see-through_material_conducts_electricity
2013年9月杂志俱乐部主题:可拉伸离子
亲爱的中国,
非常感谢你在这里与我们分享你的“幕后”见解。这确实是非常令人兴奋的，如果我可以冒昧地命名，“电子学”的兴起，受到这一里程碑式的工作的启发。祝贺所有实现这一目标的工作人员!
与可拉伸电子元件(包括可拉伸光学元件和传感器)相比，关于软和可拉伸致动器和发电机的研究要少得多(见“柔性和可拉伸的电子为软机器人铺平了道路)，主要原因是缺乏机械匹配的高变形导体-致动器对。介电弹性体与离子导体配对为软致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，柔软和弹性执行器可以在人造心脏和心脏瓣膜中找到重要的应用。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电导的可能影响是什么?如果需要封装，有材料解决方案吗?
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，迫不及待地想看到后续的进展。
欢呼,
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回应南叔的评论
亲爱的南叔，非常感谢你的评论。在这里，我们很喜欢读你的文章。”柔性和可拉伸的电子为软机器人铺平了道路”。我也读了State-of-the-field讨论我对软体机器人很感兴趣。你的一个观点很清楚:到目前为止，可拉伸电子设备在制造传感器方面很有效，但软体机器人将需要执行器。恭喜你成为副主编新期刊《软体机器人》的作者。
顺便说一句，有一本书叫Iontronics．这本书的重点是有机电子材料中的移动离子。我们把我们的项目叫做可拉伸离子。
现在回答你的问题。
1.循环和高电压会带来任何挑战吗？像大多数应用程序一样，疲劳可能是一个问题。然而，设备运行超过数百万个周期已经被证明。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。高电压是个严重的问题。目前，驱动所需的电场是10^8 V/m。即使你把每一层薄到10um，电压也会在1000 V左右。然而，对于传感，需要非常低的电压，如中所讨论的我对永港的回应．还有更多的高电压问题。我会让克里斯托夫和铁峰回复的。他们两人都对这件事给予了认真的关注。
2.环境中的离子流体对离子导体可能有什么影响？我认为许多应用程序都需要某种形式的封装。水凝胶已被用于体内组织工程和药物输送。我们应该从过去的经验中吸取教训。
3.离子导体-介电弹性体界面的粘附条件是什么？郑允发现，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就会提高。粘接性能较好，但在今后的研究中应引起重视。
高压装置可以安全小巧!
让我进一步评论一下高压问题:
人们普遍认为，高压是危险的，是你想要避免的。事实上，关于这一点还有很多可说的。与高电压相关的危险在很大程度上与电路的电容成正比，因此在短路情况下的最大电流和功率暴露。
正如介电弹性体传感器的情况一样，它们工作在高电压下，但电流/电容非常低。通常情况下，介电弹性体驱动器的电容范围为1至1000皮法拉。即使在接触这种设备的情况下，也会是安全的。我们每个人都经历过静电放电，这些静电放电来自我们周围物体的小电容源，例如套头衫。
此外，高电压可以在一个小的包装:因为我们不一定需要高电流来操作介电弹性体执行器，我们可以使用低额定功率的放大器。举个例子，请看以下EMCO的硬币大小的放大器:
http://www.emcohighvoltage.com/pdfs/agseries.pdf
这个小设备可以由手表或手机电池供电，产生的电压高达6000V!
Christoph
亲爱的志刚，我读到:
亲爱的中国,
我怀着极大的兴趣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，对新的电子和离子系统有很大的潜力。的成功
介电驱动器中的离子型导体无疑会启发许多人
有趣的后续工作在软体机器人的方向。
以下是一些问题:
1）
是否可以使用施加的应变来调谐
离子型导体的电阻在相对较宽的范围内(例如，变化几次)，以可逆的方式?这很难通过使用来实现
传统金属导体。
2）
水凝胶是可生物溶解的吗
人体化学环境)?是
主动设计离子导体的寿命是可能的，例如
工作一段时间后可以消失吗?
3）
你能想象离子的应用吗
只需要小电压(例如< 20v)的类型导体，这可能
更适合生物综合使用?
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:非常感谢你的夸奖。他们对我和我的学生来说意义重大。你和约翰·罗杰斯的合作塑造了可拉伸电子学领域。在我们的论文中，我们试图连接两个激动人心的领域:可拉伸电子学和介电弹性体换能器。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。这个解决方案会带来新的问题，也会带来新的机会。从你和其他人的评论中可以看出两者中的一些。
以下是对你的问题的快速回答。
1.应变能以可逆的方式大幅度改变离子导体的电阻吗?是的。通过纯几何的论证，人们可以证明导体的电阻在拉伸中是二次的(第6页)补充信息)．这一理论预测与我们的实验数据吻合良好(图4A)纸)．在实验中，我们利用轴向力将水凝胶弹性拉伸超过其原始长度的6倍。阻力增加超过36倍。
2.水凝胶是可生物降解的吗?我们的实验使用共价交联聚丙烯酰胺水凝胶，它是不可生物降解的。然而，可生物降解水凝胶的研究已经进行了几年。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。我们的纸以以下几句话结尾:“这篇论文的重点是在高速和高压下运行的设备中使用离子导体，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，层状材料增加面积并减少厚度，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，并与软组织共形。”
回复:回复永淦的评论
亲爱的中国,
我同意你可以通过增加面积和减小厚度来增加电容。这也将以相同的因素增加响应时间，这意味着响应时间将增加几个数量级。这是个问题吗?你对低电压有什么想法?
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，我们可以表明电容缩放到拉伸的4次方，而RC时间缩放到拉伸的6次方(pg 11 of补充信息)．对于这里考虑的代表性值，RC时间在6秒内仍然快于毫秒。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控制，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最先进的电子皮肤．另见Takao Someya的一篇题为生化人你的仿生皮肤．
近年来，大量的可拉伸传感器阵列已被证明，越来越复杂。这些传感器需要柔软和可拉伸，这样它们就不会束缚软组织，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具有可拉伸性。我已经复习过了可拉伸电子和软机械的力学．
的最后一段我们的科学论文，介绍了利用离子导体开发传感器的前景。离子导体易于实现可拉伸性、生物相容性和透明性。它们能更好地模拟神经。敏感皮肤的发育非常迅速。我们很快就会看到离子皮肤。
我期待在iMechanica上看到一篇关于iSkin的文章。万博manbetx平台
2013年9月杂志俱乐部主题:可拉伸离子
亲爱的中国,
祝贺并感谢您分享可拉伸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设备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面积覆盖的可拉伸电子器件提供简单设计的可能性。
在阅读论文的过程中，出现了一些关于电阻率比较的问题。
离子导体的电阻率与单壁碳纳米管的电阻率进行了比较，拉伸率高达800%。碳纳米管通常在几十%的应变时断裂。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
谢谢大家的提问。
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。胡玮，袁伟华，裴强，高延展性、导电和透明纳米管薄膜。达成。理论物理。let . 94, 161108(2009)。
不幸的是，我无法从他们的论文中获得碳纳米管的半径和手性的信息。
你可以联系裴教授了解他们使用的碳纳米管的细节。
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!我怀着极大的兴趣阅读了您的论文。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)离子弹性体是否热稳定?分裂吗?
(2)当可拉伸离子导体与微型器件集成时，您设想了哪些新问题?兼容性有问题吗?
(3)这是永刚问的你回复的关于低运行电压的后续问题。如果你能提供帮助就好了E一些有代表性的值。
再次表示感谢和祝贺!
谢谢你！
嗨Hanqing,
感谢您对我们工作的关注!
以下是一些答案:
(1)我们的大部分目标应用将在室温或体温下工作。在这个温度范围内，大多数离子弹性体是稳定的。我们已经提到过，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会很有趣。
(2)我设想了一些问题，当长度尺度变得如此之小，以至于电路的电阻超过了可容忍的范围。至少在未拉伸状态下，离子导体的电阻率要比金属高得多。因此，离子导体在导电通道小型化方面受到更多的限制。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界面。
(3)对于低电压应用，我们必须区分驱动和传感:
当电压远低于1v时，传感将成为可能。
静电驱动是由电场控制的。因此，所需的电压将取决于电介质的厚度。应该可以把它们降至1kV以下。
Christoph
水凝胶电极的褶皱?
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，学到了很多东西。祝贺您和您的团队完成了这项漂亮的工作!
圆形作动器是介电弹性体的一种常用的简单演示形式，它具有固定的位移约束。如果施加的电压超过临界值，弹性体失去其张力状态，就会发生起皱。许多研究人员都观察到这种现象，而且起皱过程是可逆的。用于具有弹性电极的介电弹性体，也观察到褶皱。
我的问题是你的学生在你的实验中有没有观察到水凝胶电极的褶皱?皱纹是否与介电弹性体失效有关?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性?
Jinxiong
回复: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有源区域的皱纹。水凝胶层的刚度远低于介电层的刚度。因此，它们没有显著地约束弹性体。施加步进电压后，有源区局部出现褶皱。由于弹性体的粘性蠕变，褶皱逐渐扩散到活性区域，直到发生击穿。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。第92号，1929032 (http://www.mendeley.com/download/public/5685731/3963543301/c05663a5d773d..。)．
随着离子导体从介电层的剥离，你提出了一个非常重要的问题，对于我们设计的可拉伸离子导体的功能能力，它是由不同组件之间界面的剪切强度决定的。在我们对介电弹性体驱动器的实验中，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作为电介质，这是一种胶带。这使得我们可以简单地将表面干燥后的水凝胶粘在VHB上。在不同离子导体和介电材料的无数可能组合中找到一个良好的组合，甚至是将层物理结合，都可能是未来工作的一个可能目标
菲利普
2013年9月杂志俱乐部主题:可拉伸离子
非常酷的纸，志刚。它打开了许多可能性，并提供了思考的食物。
1)随着时间的推移，凝胶会发生很大的变形
显著的离子流体通过凝胶的孔隙传输，因此
耗散能量，产生(a)高内摩擦和低Q，以及(b)
凝胶的某些力学性质发生了变化，如增加
各向异性，随时间变化。如果变形非常快，预计会有流动
是有限的，因此高q。因此，似乎阻尼
系统的系数可能取决于振荡的频率。
你在国外发现这种趋势了吗?
2)模拟神经-肌肉连接或神经元本身的概念
是有趣的。我在想记忆是否也可以被模仿，
换句话说，转导依赖于先前的变形历史还是
电压应用程序?如果是这样，是不是“记忆”的保留取决于一个
电压应用的最小数量和电压值?
对Taher关于可拉伸离子学的回应
亲爱的塔赫:非常感谢你的评论。溶剂在聚合物网络中移动，但可能太慢了，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)．一个有代表性的值是D = 10^-10 m^2/s。我们装置中使用的水凝胶的厚度为H = 100 um。因此，弛豫时间约为H^2/D = 100s。这种弛豫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1hz到20khz。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?在上述估算中，我们是否应该使用另一种长度刻度?
我们能用离子导体制造人工记忆吗?在我们的内部讨论中，这个问题已经出现过几次，但我们没有认真考虑过这个问题。我觉得我们可以做到，因为人工记忆只需要模仿实际记忆的功能，而不是解剖结构。例如，一个粗糙的存储器可以是一个具有可位态的结构。
是的,中国。它回答了我的
是的,中国。它回答了我的问题。我猜是凝胶的孔径太小了导致了扩散系数这么小。
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。可能值得探索的是，凝胶系统的“属性”是否会因重复应用“刺激”而改变，并在神经元中发生的一段时间内保持变化。这意味着凝胶记得它过去的历史。
透明人造肌肉
亲爱的中国,
恭喜你，感谢你分享这个伟大的工作。
碳脂被广泛地用作电极
介电弹性体驱动器。然而，他们真的很混乱和黑色。生物
肌肉可能是透明的，例如，水生色素体中的肌肉。它
使人造肌肉更接近天然肌肉是有趣和重要的吗
肌肉。
除了应用于扬声器之外，离子导体也可以
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日的计算中作全体报告
机械工场(http://www.iwcmm23.org/program.html)．
很高兴见到志刚，很快就能了解到这个鼓舞人心的作品。
剑
回复:透明人造肌肉
亲爱的简:非常感谢你友好的来信，感谢你的盛情款待。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做有趣的实验，用介电弹性体做出有趣的发现。您正在开发的应用程序是及时的。
通过合作，你们还将其他强大的团队引入该领域。电介质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，拥有不同背景的人可以以不同的、往往是意想不到的方式做出贡献。
祝您的项目和合作顺利!
亲爱的志刚:谢谢你
亲爱的中国,
感谢分享，并祝贺所有为这项鼓舞人心的工作做出贡献的人。
这里有两个观点。
1.水凝胶的均匀性呢?我们能用它来做电极的最小长度是多少?
2.正如你之前所说，水凝胶是将力学和化学结合起来的一个很好的平台。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，你可以制造一种装置，它可以在拉伸时改变颜色，你也可以改变材料的表面润湿性。
谢谢余航!
亲爱的余杭,
很高兴看到你加入这个讨论!我希望你成长中的家庭一切安好。
我对你的问题有几点看法:
1.均匀的厚度对于需要大面积具有均匀力学性能的水凝胶的应用是很重要的。我们实现同质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:让我们只考虑3d打印，旋转涂层或相关技术。
另一方面，如果我们使用非均匀性质(如厚度)作为特征，这将极大地有利于构建可调谐光学器件，例如具有可变焦距和孔径的透镜。
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，3d打印水凝胶应该能让我们在这种限制长度尺度下获得特征尺寸。
2.伟大的思想!我们希望进一步探索具有可调性质的水凝胶，如颜色或润湿性。事实上，离子导体丰富的物理、机械和化学性质是最初让我们对可拉伸离子兴奋的原因之一!
Christoph
可拉伸离子的粘性领导者
论文最初提交给科学包含两个首字母缩写词和一个短语:
“可拉伸离子”是论文早期草稿的暂定标题。
《编辑》指出，这两个首字母缩写很分散人的注意力。发表的论文中出现了“可拉伸离子学”这个词，但粘性的领导者不见了。
除了分散注意力外，这些首字母缩写也低估了离子导体的能力。首字母缩写STIC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
首字母缩写LEADER过分强调了特定的配置。人们当然可以想到介质-电解质-电极的多种结构，而不是分层几何结构。
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列出了本文中演示的关键属性。LEADER是一种具有有趣属性的构型。
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。
商业化介电弹性体传感器
2011年6月，我写了一篇Pulse帖子这是一种基于介电弹性体的商业产品。该产品在亚马逊上出版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.，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和我会见了StretchSense的首席执行官Ben O'Brien。本以前见过我们当时他是一名优秀的研究生伊恩•安德森．StretchSense生产高度可拉伸应变传感器。软机器人、可拉伸电子学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。
最近另一家创业公司是兼容换能器系统由伽柏Kovacs．这是一个YouTube视频它们的堆叠驱动器。
跟踪这些商业发展将是有用的。如果你发现更多，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战略聚合物正在开发pvdf基介电聚合物的新技术和产品，由张庆明教授的组。PVDF基聚合物多为半结晶态，而PVDF致动器的结构与介电弹性体致动器相同，两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。
将离子导体与各种介质配对
亲爱的宣和:非常感谢你指出启明公司和PVDF。你说得很好:离子导体可以与各种介质配对。离子导体具有可拉伸性、透明性和生物相容性等属性，但当一种材料在新的应用中引入时，它们也会带来挑战，例如兼容性和可靠性。人们必须看看这些新属性是否值得这些麻烦。
在撰写论文时，我们发现先前的工作使用压电聚合物PVDF来制造薄膜扬声器(引用于文献21和22)我们的论文)．我们写下了以下内容。“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)。”并非离子导体的所有属性在特定的应用中都是重要的。在这种情况下，大的可拉伸性并不重要。
这里的几个学生一直在寻找合适的PVDF选择。你的评论很及时。谢谢你！
但更普遍的是，人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。
几天前我遇到了
几天前，我遇到了迈克尔·王，他是一位从事硬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。
他给我们做了一个演讲，展示了研究硬机器人的传统方法，以及应用和商业化。正如他所指出的，除了概念设计的美丽理念之外，将软体机器人推向应用的关键应该是复杂但非常有效的功能和控制建模方法，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•安德森给我发邮件指出人造肌肉公司正忙着ViviTouch这是一种基于介电弹性体的heptic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他给我发邮件，说初创公司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:商业化介电弹性体传感器
你好，志刚，谢谢你的介绍!我认为那更重要
能够创业的公司越好。这将为
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
克里斯托夫给我指了这个采访本•奥布莱恩他是StretchSense公司的首席执行官。Ben谈到了为什么基于弹性体的传感器很重要。
路透社关于可拉伸离子的视频
这视频是汤森路透(Thomson Reuters)记者本·格鲁伯(Ben Gruber)撰写的。