2017年5月杂志俱乐部:介电弹性体执行器的离子电极

凯勒·克里斯蒂安森和迈克尔·t·托利

加州大学圣地亚哥分校

1.简介

介电弹性体致动器(DEAs)具有相当大的应用潜力，包括软机器人、微流体和光学，基于其大应变、高能量密度和高效率。[1] -[6]它们对水下应用很感兴趣，但目前只实现了有限数量的水下应用，部分原因是确定合适的电极材料的挑战。许多DEAs都包含碳基电极，这对复杂几何图形的设计具有挑战性，并且容易受到机械磨损。当考虑到水下应用时，离子导体是传统碳基电极的可行替代品。离子导体与其他电极相比具有独特的优势，因为它们对刚度、可调导电性和潜在的简化设计的影响微不足道。一些实现甚至可以利用光学透明和具有改进的生物相容性。

2.凝胶电极

Carpi等人首先在增稠的电解质溶液中实现了用于平面致动器的DEAs离子电极，如图1所示。在测试几种电极材料时，他们确定NaCl凝胶与碳基电极相比表现良好。后来，Keplinger等人在高速DE驱动中引入了用于电极的离子水凝胶，[10]为离子导体用于DEAs的考虑提供了深刻的基础。在这项工作中，他们可以在高频率下实现驱动，如图2所示。

数字1增稠的电解质凝胶涂抹在平面DEA上，证明在一定电位范围内有效驱动。[9]

数字2(A- b)介电弹性体由两层电解弹性体(水凝胶)夹在中间。当电势通过水凝胶施加时，在电介质上，静电力导致厚度的收缩和面积的膨胀。(C-D)电解层和电介质层都是光学透明的，激励光学应用，并显示在电压(E)和频率(F)范围内是有效的。[10]

3.液体电极

最近，Tavakol等人通过在dea驱动的微流控芯片中实现导电流体作为工作电极，证明了离子导体对dea的有效性。图3展示了他们的设计:在微流控芯片y结的一个分支的上游，使用屈曲DEA来影响下游的流动。有趣的是，他们通过两种被DE膜隔开的流体来施加电位。这是已知的第一个用于DEAs的完全流体离子电极。

在先前工作的基础上，Christianson等人使用流体电极开发了用于潜水软机器人的双晶型DEA，如图4所示。利用这种结构，他们创造了一个游动的软体机器人，它在导电流体中游动，同时使用离子电极来实现驱动。在该设计中，他们使用致动器浸泡在导电流体中作为接地电极，从而避免了为DEAs明确设计和制造电极对的需要，简化了设计和制造过程。

数字3.电势是通过绿色和黄色的流，通过一个屈曲介电膜，他们重叠。由电压引起的薄膜屈曲引起了磁流变性能的变化下游水流，可以在黄色和粉色通道的交汇处观察到。[11]

数字4流体电极双晶型DEA原理及工作原理。三层介电弹性体封装了两个装有流体电极的腔室。电极通过硅胶管连接到高压电源，执行器浸泡在接地槽中。当电压施加在接地槽的一个电极上时，电荷就会积聚起来，压缩并延长介电弹性体。当一侧变长而另一侧未被驱动时，会产生弯矩，使双晶向一侧弯曲。[12]

4.混合电极

在水下机器人中使用dea的进一步例子包括Godaba等人的工作，他们在水母启发的机器人中建立了在潜水机器人上实现dea的第一批工作之一。最近，Shintake等人利用dea开发了可潜水的仿生鱼和水母机器人。Godaba et al.和Shintake et al.表明，dea可以为潜水式软机器人提供有效的驱动。然而，这两种实现都依赖于碳基电极。Li等人开发了一种混合方法，结合水凝胶和流体电极，实现了快速移动的软体机器鱼。如图5所示，这一令人兴奋的新成果将水凝胶与鱼体内的封装电极层结合在一起，并利用周围的流体作为DEAs的地平面。

数字5快速移动，柔软的电子鱼的概述。水凝胶电极夹在两层DE之间，在驱动器周围形成鳍片和软体。一旦被拆除，驱动DE导致鳍扇动，使鱼能够游泳。[15]

5.结论

这些都是最近的一些努力，证明了在DEAs中使用离子导体的可行性和潜力。凝胶电极提供可图案化的导电薄膜，而流体电极需要被封装在通道或袋子中，或者可以作为水下实现的地平面。这些离子导体已被证明利用了DEAs在空气中的优势(例如，高应变和快速响应)，同时进一步实现了它们在流体和水下应用中的实际应用。

6.参考文献

[1]R. E. Pelrine, R. D. Kornbluh，和J. P. Joseph，“用柔性电极作为驱动手段的聚合物介质的电致伸缩”，传感器执行器a物理。第64卷，no。1，页77-85,1998。

[2] R. D. Kornbluh, R. Pelrine, J. Joseph, R. Heydt, Q. Pei和S. Chiba，“用于驱动的弹性体聚合物介质的高场电致伸缩”，SPIE Proc. 3669卷，no. 1。1, pp. 149-161, 1999。

[3] Y. Bar-Cohen，电活性聚合物(EAP)致动器作为人造肌肉:现实，潜力和挑战，第136卷。SPIE出版社，2004年。

[4] P. Brochu和Q. Pei，“用于执行器和人造肌肉的介电弹性体的进展”，Macromol。快速Commun。，第31卷，no。1，页10-36,2010。

[5] F. Carpi, S. Bauer，和D. De Rossi，“拉伸介电弹性体性能”，科学(80-。)，第330卷，no。6012页，1759-1761,2010。

[6] i.a. Anderson, t.a. Gisby, t.g. McKay, b.m. O 'Brien，和e.p. Calius，“软性和智能机器的多功能介电弹性体人造肌肉”，J. Appl。理论物理。，第112卷，no。4, pp. 0-20, 2012。

[7] L. Maffli, S. Rosset, M. Ghilardi, F. Carpi，和H. Shea，“超快全聚合物电可调谐硅胶透镜”，Adv. Funct。板牙。，第25卷，no。11, pp. 1656-1665, 2015。

[8] S. Rosset和H. R. Shea，“朝着快速、可靠和可制造的dea:小型化电机和鲁珀特滚动机器人”，Electroact。变异较大。中国机械工程，2015,vol. 29, p. 943。

[9] F. Carpi, P. Chiarelli, A. Mazzoldi，和D. De Rossi，“电介质弹性体平面致动器的机电特性:不同电极材料和不同负载的比较评估”，传感器致动器，A Phys。，第107卷，no。1，页85-95,2003。

[10] C.凯普林格。孙，C. C. Foo, P. Rothemund, g.m. Whitesides，和Z. Suo，“可拉伸的，透明的，离子导体”，科学(80-。)，卷341号。649, pp. 984-987, 2013。

[11] B. Tavakol和D. P. Holmes，“使用流体电极的电介质薄膜的电压诱导屈曲”，应用。理论物理。列托人。，第108卷，no。11, p. 112901, 2016。

[12] C. Christianson, N. Goldberg, S. Cai和M. T. Tolley，“基于介电弹性体执行器的潜水机器人流体电极”，在SPIE智能结构和材料+无损评估和健康监测，2017，第101631O-101631O-8。

[13] H. Godaba, Li J.， Wang Y.和J. Zhu，“由介电弹性体驱动器驱动的软水母机器人”，IEEE机器人。奥特曼。列托人。，第1卷，no。2，页624-631,2016。

[14] J. Shintake, H. Shea，和D. Floreano，“基于介电弹性体执行器的仿生水下机器人”，IEEE/RSJ Int。相依智能。机器人。系统。， vol. 2, pp. 4957-4962, 2016。

[15]李涛，李国光，梁玉玉，程涛，戴坚，杨晓阳，刘波，曾志忠，黄志忠，罗勇，谢涛，杨伟，“快速移动的软电子鱼”，Sci。第3卷，第3期。2017年4月4日