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2018年2月杂志俱乐部:用于高速、电动、自修复软机器人的HASEL人造肌肉
Eric Acome, Nicholas Kellaris, Timothy Morrissey, Shane K. Mitchell, Christoph Keplinger
科罗拉多大学博尔德分校
介绍
的开普勒研究小组最近发表了两篇论文科学和科学的机器人介绍一类新的人造肌肉，我们称之为液压放大自愈静电(HASEL)致动器。HASEL执行器利用电液机制来激活全软物质液压架构。它们结合了软流体致动器的多功能性和介电弹性体致动器的肌肉样和自传感性能，同时解决了两者的关键挑战。我们通过示例应用展示了这些不同类型的HASEL执行器的多功能性和类似肌肉的性能，包括处理微妙物体的软抓取器，自传感机械臂和透明人造肌肉(HASEL的YouTube概述）.
动机
传统的机器人主要由具有有限自由度和功能的刚性部件组成，而植物和动物已经进化出许多软结构，以便在不可预测的环境中有效地发挥作用。在过去的几十年里，软机器人和可伸缩电子领域的开创性创新努力弥合工程和生物世界之间力学上的不匹配。
如今，软机器人设备正迅速找到从工业食品处理到医疗保健的各种应用。学术界和工业界的广泛兴趣鼓励我们推进这一领域，最近的资助呼吁表明了这一点NSF研究与创新前沿(EFRI)项目中“软机器人的工程前沿”被选为2018年主题，以及快速增长的创业公司，如软机器人公司。
软机器人的一个关键组成部分是软驱动器。目前，两类软性肌肉仿生致动器在文献中占主导地位-软流体致动器(主要基于气动操作)和电动介电弹性体致动器(dea) -两者都有优点和缺点。流体执行器具有多种驱动模式，如弯曲和扭转，但需要复杂而低效的管道，阀门和加压流体源系统。DEAs具有类似肌肉的驱动性能，并且可以用电控制和供电，但由于介电击穿和电气老化导致的灾难性故障，它们在大规模应用方面面临障碍。
介绍液压放大自愈静电(HASEL)执行器
HASEL执行器利用电液机构来驱动软主动结构的形状变化。通过将静电力直接应用于绝缘液压流体，HASEL执行器结合了软流体执行器的多功能性和介电弹性体执行器的肌肉样和自传感性能。
软流体致动器的低效率和损失是由于流体通过长管道和通道的系统输送造成的，HASEL致动器通过作用于分布在整个系统中的液体电介质的静电力在局部产生液压。与dea相比，介质击穿弹性膜限制了寿命和可靠性，我们表明，在HASEL致动器中使用液体介质可以实现自修复属性，即使在数十次击穿事件后也能立即完全恢复致动性能。
在我们最近发表的论文中，我们I)讨论了HASEL致动器的基本物理原理，II)使用原型设计和几何形状展示了HASEL的健壮性和类似肌肉的性能，III)通过演示示例应用(如软抓取器和为机械臂提供动力的自传感人造肌肉)说明了HASEL致动器的广泛潜力和多功能性。低成本材料和工业适用的制造技术的软和柔性材料。我们相信HASEL有广泛的潜在应用，因为大量的几何形状、材料和更先进的制造策略仍未被探索。
HASEL的三个说明性设计
a)甜甜圈HASEL执行器（YouTube视频，图1)
- 施加电压时线性膨胀
- 力和应变可以用液压原理来调节
- 利用拉入不稳定性来获得大拉力
- 电介质击穿后可靠自愈
图1。HASEL执行器的基本组成部分和基本物理原理说明使用甜甜圈HASEL几何。（一个环形HASEL致动器在三种不同施加电压下的原理图，其中V1<V2<V3.。（BHASEL驱动器的典型驱动响应，其几何形状见(一个)，在施加电压(C）.（D和E)应变和驱动力可以通过改变电极的面积来调节。（F)液体介质的使用赋予HASEL执行器自愈能力。(图摘自[我]）
b)平面HASEL致动器（YouTube视频，图2)
- 在含有液体介质的整个区域施加电场
- 平面内扩展，类似于用于DE执行器的通用驱动模式
- 与DE执行器相比，在相同电压下实现更高的应变
- 能够承受大的驱动应变
- 能否扩大规模以输送大量兵力
- 高比功率
- 介电击穿后自愈
- Self-sense变形
图2。具有线性执行器功能的平面HASEL执行器的组成和结构。线性驱动可以通过在一个平面方向上实施固定的预拉伸并在垂直平面方向上施加负载来实现。(图摘自[我]）
c) Peano-HASEL执行器（YouTube视频，图3)
- 激活时的线性收缩，而不依赖于预拉伸，堆叠配置或框架
- 具有高速连续驱动能力
- 廉价和工业适用的材料和制造技术
- 不必依赖高度可拉伸的电极或外壳材料
- 能设计得高度透明吗
图3。一个Peano-HASEL驱动器的原理图与三个单元。当电压增加时，致动器线性收缩V1来V3.。(图摘自[2]）
站在巨人的肩膀上:HASEL执行器建立在力学和材料的最新突破
以下是一些重要的例子:
- 可拉伸离子[1-3];来自索志刚的杂志俱乐部
- 水凝胶与弹性体的牢固结合[4]
- 介电弹性体致动器[5-7]
- 栈(8 - 9)
- 侧向夹紧介质弹性体致动器[10]
- 电容式自传感[11];https://www.stretchsense.com/
- 软流体执行器的制造技术[12-13]
- 软主动结构的不稳定性研究[14-15]，赵宣和杂志俱乐部
- 皮亚诺流体执行器[16-18]
- 热封流体执行器
- 来自工业的灵感
- 介电击穿后自愈的变压器油
机械、材料等领域的机遇与挑战
HASEL的引入提出了许多问题，并为机械，材料，电子和机器人技术的未来突破提供了机会。激发讨论的几个例子包括:
- 改进自愈从电ical伤害:
- 使用专门为这种应用设计的液体介质，而不是从其他高压应用(高压变压器)借用材料。
- 电击穿通过汽化导致气泡的形成。我们如何避免、减轻或消除气泡?
- Peano-HASEL执行器尚未证明可靠的电气自修复，因为薄BOPP在故障期间会遭受严重的机械损伤。
- 自愈的:从机械损伤中自愈的:在使用中的HASEL设备可能会遇到电气故障以外的损坏，即机械损坏，如撕裂、磨损或割伤。机械自愈介质[19]和离子导电[20]材料可以扩大HASEL的自愈能力。新的自修复材料可能在Peano-HASEL系统中特别有用。
- 提高执行器使用寿命:HASEL致动器的一些可能的失效模式要求对柔软和柔性材料的断裂和疲劳以及层状结构(水凝胶、弹性体、热塑性塑料、液体电介质)的界面力学有更好的基本理解。
- 可调液体介质:HASEL致动器的性能可以通过改变液体介电介质来调节。例如，驱动的动力学可以通过改变液体介质的粘度来改变。优化液体介质以获得更高的介电常数和介电击穿强度也将提高驱动强度。
- 流体力学:对这些软水工结构的流体流动进行优化可以提高效率和速度。
- 软水工结构的非线性力学与机电耦合在电活性软水工结构中可以探索哪些新的机电不稳定类型?
- 先进的制作方法:先进的制造方法，如增材制造，如何为具有更复杂设计的下一代HASEL执行器做出贡献?对新设计和几何形状的进一步探索可能会导致具有独特和令人惊讶的应用的额外驱动模式。
- 小型化高压电子设备;紧凑，廉价，安全和节能的高压电子产品的发展将扩大HASEL执行器的应用领域。
- 机器人技术应用:
- 我们如何将HASEL执行器阵列与分布式传感和计算相结合来开发下一代软机器人?
- 软机器人的实际应用将需要更好地理解灵活，非平衡控制的传感器和执行器丰富的合成系统。
我们期待听到您的想法
HASEL执行器的开发在很大程度上建立在力学和材料界的知识和研究基础上。我们期待与这些领域的专家进行激动人心的讨论，并听取您的问题和意见。
本文引用的链接
- YouTube视频介绍HASEL技术的亮点。
- Eric Acome, Shane K. Mitchell, Timothy G. Morrissey, Madison B. Emmett, Claire Benjamin, Madeline King, Miles Radakovitz, Christoph Keplinger。具有肌肉样性能的液压放大自愈静电致动器”。科学359(6371)， 61-65(2018)。
- 补充材料(材料与方法;包括机电效率的讨论，八部电影)。
- YouTube视频平面和环形HASEL执行器概述。
- Nicholas Kellaris, Vidyacharan Gopaluni-Venkata, Garrett M. Smith, Shane K. Mitchell, Christoph Keplinger。”Peano-HASEL致动器:在激活时线性收缩的仿肌肉电液换能器”。科学的机器人[3] (14)， [j](2018)。
- 补充材料(材料与方法，六部电影)
- YouTube视频: Peano-HASEL执行器概述。
- 更多信息可在开普勒研究小组网站
- 大众媒体重点报道:科学新闻，国家地理，《连线》杂志，科罗拉多州公共广播电台
引用:
[1]李建军，李建军，李建军，李建军，李建军。基于液压放大的自愈静电致动器。科学通报359.6371(2018):61-65。
[2]李建军，李建军，李建军，等。一种基于线性收缩的电液传感器。机器人科学，2018,37(4):376 - 376。
[1]李志强，李志强。孙，C. C. Foo, P. Rothemund, G. M. Whitesides，可拉伸的，透明的离子导体。科学学报，34(1)，984-987(2013)。
[2]孙建勇*，陈志强*，苏志强，离子皮肤。材料工程，26(5)，7608-7614(2014)。
[3]陈斌，周建军，王红华，索志。高水合性盐对透明水凝胶保水性能的影响。达成。理论物理。105年博士论文。151903(2014)。
[4]张涛，刘晓霞，赵晓霞，刘晓霞，赵晓霞，水凝胶-弹性体复合材料的研究进展。学报，7,12028(2016)。
[5]刘建军，刘建军，刘建军，等。一种新型高速电致弹性体。科学287,836-839 (2000)
[6]张建军，张建军，张建军，等。复合弹性体复合材料的研究进展传感器。达成。理论物理。Rev. 3,031105 (2016)
[7]索志刚，介电弹性体理论。《机械工程。太阳学报，23,549-578 (2010)
[8]张建军，李建军，张建军，等。一种新型介质弹性体弹性传动系统。传感器，执行器，155,299 - 307 (2009)
[9]张建军，张建军，张建军，等。智能材料与结构(2)(2007):300
[10]李建军，李建军，李建军，等。胡，R. Baumgartner, S. Bauer, suz . Suo，基于横向约束介电弹性体的高性能机电换能器，第一部分:驱动过程。固体力学与物理学报，105,81-94(2017)。
[11]张建军，张建军，张建军，电介质弹性体作动器瞬态应变分析。达成。理论物理。Lett. 92,192903(2008)。
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[13]张建军，张建军，张建军，张建军，张建军。基于amesim的柔性机器人技术研究进展设备;制造，传感，控制和人机交互的应用。放置Eng。材料19,1700016 (2017)
[14]李涛，李涛，苏志强，李志强。软介电介质的超稳定特性研究。软物质学报(自然科学版)，2012(5)。doi: 10.1039 / C1SM06736B
[15]李建军，李建军，李建军。基于非线性控制的柔性传动系统动力学特性研究。国家科学院院刊112.35 (2015):10863-10868
[16]王晓明，王晓明，王晓明，机器人软致动器的研究进展，中国机械工程学报，2014,pp. 632 - 637。
[17]张建军，张建军，张建军，等。气动扭致动器的研究进展。j .机械工程。机器人。6,031003(2014)。
[18]谢世强，刘志强，刘志强，一种新型柔性矫形器的设计方法。[j] .中国机械工程学报，2015,42(5):681 - 681。
[19]李朝辉，王朝林，左建林，金利，孙勇，郑平，曹勇，李飞，林德，游先哲，一种高弹性自愈弹性体。自然化学，8(6)，(2016)，p.618。
[20]曹勇，黄宝明，王宝明，王志强透明、自愈、高度可拉伸的离子导体。高分子材料学报，29,1605099(2017)。
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评论
干得好，Christoph!
亲爱的Christoph:太棒了!衷心祝贺两篇精彩论文的发表!
哈佛大学和中国的几位小组成员都有这个想法的元素，但没有像你那样推动得那么远、那么有力。我们为正在进行的大纲取了一个名字:GEO，代表凝胶、弹性体和石油。
这是一篇题为《有机》的论文基于离子导体的液晶装置。我们在实验设置中遇到了三种材料的组合，GEO，评论了一些比液晶器件更基本的有趣属性，并做了初步的理论分析补充信息(无花果。S4)。
哈佛和中国的学生都是您的崇拜者。我也是。愿你帮助开创的领域吸引更多的研究人员，激发深刻的科学问题，并开辟新的应用。
一个技术问题。你找到变压器油自愈的好的参考资料了吗?这是一个很好的想法。
谢谢你！
亲爱的志刚:谢谢你的积极评价——这对我和我的学生来说意义重大!
我们在HASEL人造肌肉上的工作将我在博士和博士后期间研究的不同领域协同起来，我们的论文受益于我从学术导师那里学到的所有东西。当我在博尔德建立自己的实验室时，我雄心勃勃的目标是发明一种新型的人造肌肉，使下一代高速、多功能和电动的软机器人成为可能，从而避免在软气动执行器中使用压缩机和阀门所产生的问题。
1)当我在哈佛大学和George Whitesides一起做博士后的时候，我开始欣赏到软流体执行器的各种可能的几何形状。HASEL执行器采用液体电介质作为液压流体，继承了软流体执行器的多功能性。
2)甚至在我开始跟随Siegfried Bauer攻读博士学位之前，他就向我介绍了介电弹性体致动器(dea)的迷人世界。当我看到它的速度、效率和自我感知变形的能力时，我立刻相信这种类型的执行器是非常有前途的。与介电弹性体作动器一样，HASEL人造肌肉由麦克斯韦应力驱动，继承了dea的高性能和电容性自传感能力。与dea相比，hasel使用液体电介质，在电介质击穿后自愈，从而避免了dea的核心问题，如灾难性的电介质击穿和电气老化。正是由于这个原因，工业上广泛地在高压变压器中使用液体介质。
3)志刚，当我和你一起做博士后的时候，我开始意识到软质活性材料的非线性和不稳定性是一个特点，而不是一个问题。Donut HASELs经历安全的机电不稳定以达到大变形。我绝对肯定，力学界很快就会在各种设计的HASEL执行器中发现新型的机电不稳定性。此外，HASEL致动器受益于可拉伸透明离子导体的独特性能，这是我们在2013年一起介绍的一个主题。
GEO代表凝胶、石油和弹性体，毫无疑问，它是一种非常有趣的材料组合，其应用范围可能远远超出软致动器领域。我很期待看到索组在这方面的成果!两年多以来，我的实验室一直在研究HASEL致动器，一年多前，我们已经准备好了核心结果。在《科学》(Science)或《自然》(Nature)等顶级期刊上发表文章总是一场赌博，因为这些媒体需要高质量的故事、图表、视频和写作——所有这些都需要花费大量时间，并增加了其他团队先发表这个想法的机会。我为我的一流学生团队感到无比自豪，他们凭借创造力、奉献精神和辛勤工作，将介绍HASELs的初步论文推向了终点线。他们中的4人——Eric Acome, Nicholas Kellaris, Timothy Morrissey, Shane K. Mitchell——帮助我整理了这篇日志俱乐部的帖子，并将在这里与我们讨论。
在考虑HASEL人造肌肉的工业应用时，我们意识到其基本原理并不依赖于弹性体和导电凝胶。在我们的科学的机器人本文介绍了一种由聚合物薄膜和蒸发金属层组成的材料体系。这种材料系统适用于大规模的工业制造，它不依赖于高拉伸弹性体或导电凝胶。根据具体应用，hasel可以由各种不同的材料制成。
Zhigang，谢谢你关于液体电介质的问题。虽然在高压工业中得到广泛应用，但关于液体电介质中自愈的学术论文却少得惊人。不久前，我想更好地理解电介质击穿的基本原理，并寻找了好的文献;最初我专注于固体介质，但后来发现麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的工作让我对液体介质的好处和电击穿的丰富物理原理大开眼界:Markus Zahn教授及其同事的“正流光背后的机制及其在变压器油中的独特传播模式”。这里有一个链接:http://www.rle.mit.edu/media/pr152/17_PR152.pdf
HASEL执行器解决了重要的问题，但也带来了许多新的问题、挑战和机遇。在我们的期刊俱乐部帖子中，我们提到了一些我们期待与力学、材料和机器人社区合作的领域!
恭喜,Christoph !
嗨Christoph,
祝贺这两篇一流的论文!我很高兴看到介电弹性体执行器领域在经历了近二十年的发展之后仍然保持着蓬勃的发展，这要归功于像您、齐格弗里德和志刚这样的同事的创新思想和工作。除了正在进行的讨论，还有两个简短的问题。
1.技术之一。HASEL执行器的能源效率是多少?虽然在驱动过程中涉及流体，但我认为执行器的能量效率可能仍然相当高，可与粘弹性dea相媲美。
2.实用的一个。高压可能是一个问题，因为你使致动器的功率密度更高。HASEL执行器的目标应用领域是什么?
顺便说一句，感谢您参考我们在利用软材料的不稳定性和水凝胶的坚韧粘合方面的工作。
谢谢!
嗨Xuanhe,
非常感谢您的积极评价!
我也很兴奋，软活性材料领域现在是如此活跃和富有成效。我认为值得注意的是，HASEL执行器显著地借鉴了软流体执行器的进步。特别是，Peano- hasel致动器直接建立在关于Peano流体致动器的伟大论文[16-18]之上。此外，与dea相比，HASEL执行器不必依赖弹性体(Peano-HASELs使用薄而柔韧的聚合物外壳)，并且如果不使用液压液体，执行器的基本原理就无法工作。因此，我认为HASEL致动器是将介电弹性体(麦克斯威尔应力)的激活机制与软流体致动器的通用性和易制造性协同起来的最佳描述，从而形成人造肌肉研究的新方向。
我在下面回答你的问题:
1)目前，我们测量的HASEL致动器的能源效率约为20-30%(参见《科学》论文的图S4，我们报告了一个21%的循环，致动器在>>10%的应变下提升100g的重量)。值得注意的是，这个数字是基于对力-位移和电压-电荷的功共轭平面上全周期的机电转换效率的严格分析得出的(人工肌肉领域的许多功在表示效率时不考虑全周期，因此仔细比较数字非常重要)。HASEL致动器的测量效率与DE致动器的典型实验值相当，而DE致动器具有潜在的高效率(基于估计高达80%)，实验测量的效率范围为10%至30%。
对于软机器人的无系绳操作来说，一个更重要的数字是系统效率(这包括所有来自主要能源(如电池组)，通过放大器和开关，最后产生机械功的东西)。在即将发表的一篇论文中，我们分析了由微型高压电子器件驱动的HASEL执行器的系统效率。所得结果对实际应用具有重要意义。
2)是的，对于设计不好的实际应用，高电压可能是一个潜在的问题。我个人不太担心安全问题;毕竟，我们经常随身携带可能爆炸的锂离子电池——我认为使用绝缘和屏蔽良好的高压执行器的风险要低得多。就实际应用而言，我们的论文得到了来自不同行业和代表数十万员工的公司的强烈反响，这让我们感到非常惊讶。我们已经得到了一家大型汽车制造商的资助，以探索基于HASELs的活动表面，这种表面可以在车内和车外使用。Peano-HASELs对于机器人应用很有吸引力，因为它们能够在施加电压时线性收缩，而不依赖于堆叠配置或预拉伸。此外，HASELs将用于各种类型的触觉界面，逼真的假肢，阀门，泵，振动控制，定位系统以及基本上所有其他需要静音，高效，轻质，柔软，廉价和高速执行器的领域。
是的，我们直接利用了你在水凝胶粘合领域的发明——在朋友们突破性的工作基础上建立起来的感觉真好!
谢谢你！
Christoph
不错的工作!
真是令人印象深刻的工作!克里斯托弗。我很喜欢阅读，但仍然有一些问题。
1.当致动器提起重物时，由弹性体膜和软电极组成的部分是可拉伸的，这是否会影响致动器?
2.施加的电压决定了重物能举起的重量。但是对于举起重物，你的电压非常高，这会妨碍实际应用吗?
3.当弹性体膜接触时，高压是否会导致弹性体的电击穿?
4.你能在执行器中放入的最大液体量是多少?有什么限制吗?
谢谢你，再次感谢你的想法!
回答您的问题
亲爱的加威,
谢谢你对我们的工作感兴趣，也谢谢你提出的一些有启发性的问题。我的回答如下:
1.当致动器提起重物时，由弹性体膜和软电极组成的部分是可拉伸的，这是否会影响致动器?
答:在环形驱动器的情况下，非常软的薄膜会阻碍重载下的驱动，因为液体介电介质倾向于凸起软壳的侧壁，而不是将力向上转换以提升重量。出于这个原因，我们使用了一种更硬的弹性体，即PDMS，而不是其他更软的硅基产品，如Ecoflex。
2.施加的电压决定了重物能举起的重量。但是对于举起重物，你的电压非常高，这会妨碍实际应用吗?
答:重要的是要注意HASEL执行器并不严格依赖于电压。壳内产生的静电应力与固液复合介质的电场平方和介电常数成正比。在我们最初的工作中，我们使用了相对较厚的膜(大约1mm)来构建执行器，因为这些膜更容易处理，并且足以证明概念工作。这些厚膜导致需要相当高的电压来产生必要的电场来触发驱动。我们最初工作中使用的电压对于实际应用来说确实太高了;然而，降低工作电压的一些策略包括增加复合材料结构的介电常数或通过使用更薄的外壳膜来减小电极之间的距离。目前，我们的设计在电压低10倍的情况下运行，同时仍然产生高的力，使电子实用，执行器非常有用!
3.当弹性体膜接触时，高压是否会导致弹性体的电击穿?
答:HASEL执行器的典型操作不会导致复合介质结构的击穿。也就是说，我们主要不使用高于复合介质介电强度的电场(尽管，如果我们这样做，执行器可以从击穿中自愈)。在拉入跃迁后，电场确实有很大的变化;然而，最大电场仍低于复合材料的介电强度，因此不会发生击穿。此外，在两个电极之间总是有一层固体介电层，这可以防止电极在操作过程中短路。
4.你能在执行器中放入的最大液体量是多少?有什么限制吗?
答:液体介质含量远未优化。我们测试了几种不同的含油量，以大致确定哪种含油量适合我们的演示，但没有进行严格的分析来优化填充量。值得注意的是，随着弹性体外壳内液体量的增加，处于松弛状态的电极之间的距离也会增加。因此，产生触发驱动所需的电场所需的电压也急剧增加。如果施加的电压在整个拉入过渡期间保持恒定，则在过渡结束时的电场可能超过材料的介电强度并导致介电击穿。
欢呼,
巴蒂尔
很棒的工作!
嗨，Christoph，谢谢你如此精彩和鼓舞人心的工作。
自然地，肌肉含有水分，可以自我修复。以往的人工肌肉(DEA)模仿肌肉的功能，但存在电击穿的问题。然而，合成自愈介质弹性体对于普通机械工程师来说可能是一个尴尬的选择，使用液体介质来产生人造肌肉的自愈能力是简单而有效的。这真是一部杰出的作品。
机遇与挑战部分已经非常全面，并将导致许多后续跨学科的研究。
关于这个装置的实际使用有一个特别的问题:水凝胶电极是暴露的。这可能会带来几个挑战:1。虽然水凝胶可以用溶解的吸湿盐留住水，但水的含量会随着环境湿度的变化而波动。水凝胶含水量(即阻力)的波动是否会影响设备性能?2.水凝胶电极可能与其他材料接触，如果材料是导电的，可能会发生短路。3.使用水凝胶使整个装置透明。但该装置不能在水环境中工作。你找到这个问题的潜在解决方案了吗?
谢谢你！
水凝胶讨论响应
你好Canhui,
我们很高兴您能欣赏我们为HASEL提供的“简单而有效”的解决方案。我们也希望我们的机遇和挑战部分能引导iMechanica的其他专家社区成员加入我们，共同推动HASEL的发展。万博manbetx平台
你关于水凝胶的问题对我们很重要。我直接在下面回答他们
1.虽然水凝胶可以用溶解的吸湿盐留住水，但水的含量会随着环境湿度的变化而波动。水凝胶含水量(即阻力)的波动是否会影响设备性能?
简而言之，是的，环境湿度会影响水凝胶的性能。在我们科罗拉多州博尔德市这样的气候中，环境大气尤其重要，那里的空气非常干燥，尤其是在冬季。我们发现，在大多数大气条件下，水凝胶可以保持水合状态数小时，对设备的性能没有显著影响。然而，在干燥的冬季，我们的水凝胶可能会变干，这可能会增加电极的电阻。然而，由于我们的HASEL设备目前使用高压，电阻的变化对致动性能的影响很小。我们还没有对大气条件、水凝胶阻力和执行器性能进行全面的研究。这可能对高级寿命测试非常有用。
同时，我们也很幸运能够“站在巨人的肩膀上”，跟随白先生研发的水凝胶配方。等人在索教授的研究实验室。这些PAM LiCl水凝胶具有很好的保水性。你知道我们应该考虑其他的水凝胶成分来增强保水性吗?
最后，在某些情况下，我们将水凝胶包裹在一层薄薄的生态纤维中。通过旋涂工艺将ecoflex涂在水凝胶上。这层薄薄的ecoflex有助于保持水凝胶中的水分，并且不会显著影响致动器的机械性能。尽管如此，ecoflex对水蒸气有一定的渗透性，虽然提高了水凝胶电极的保水性，但它并不能完全解决所有的水凝胶水化问题。科学论文的补充材料部分清楚地讨论了哪些系统被封装以及如何封装。
2.水凝胶电极可能与其他材料接触，如果材料是导电的，可能会发生短路。
这是真的，如果电极接触到导电材料，这将导致短路。在实际应用中，我们认为这种情况并不常见。此外，当设备被包裹上一层薄薄的ecoflex或Kapton薄膜时，这层绝缘层将使电极更不可能短路。
在电极接触其他材料的过程中，HASEL设备可能处于电极物理损坏(切割、划伤等)的环境中。我们认为，将自愈导电材料纳入其中可能是非常有趣的，比如我们去年在《先进材料》(Advanced materials)杂志上发表的研究成果(参考文献20)。http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/20751）.
3.使用水凝胶使整个装置透明。但该装置不能在水环境中工作。你找到这个问题的潜在解决方案了吗?
同样，这是真的，这个装置可能不能在水环境中工作，因为水凝胶会受到周围水的影响。对于这样的应用程序，我们可以推测一些可能的解决方案。
第一个可能的解决方案是寻找其他透明的离子导电电极，如离子凝胶。同样，我们与Chao Wang合作的自修复材料(参考文献20)可能是一种可能的材料，而且这种材料具有物理自修复的额外好处。这种材料利用离子-偶极子相互作用使离子液体既能自愈又能保持在聚合物基体中。这种材料的透明度受到大气水蒸气的影响，所以这种自我修复的材料可能不是水环境的完美电极，但可能会给你指明正确的方向。
第二个可能的解决方案还是封装路线。只需将水凝胶密封在不透水的聚合物中，就可以使该设备在水环境中工作。
最后，用电子导体来操作HASELs是很有可能的，而不是使用离子导体。Peano-HASEL已经在电导体上进行了演示。当然，如果使用金属层，这种设备不太可能仍然是透明的
你还有什么别的主意吗?你想到了什么具体的应用，听起来很有趣!
再次感谢您的评论。请让我们知道您对我们的想法的看法，以解决这些问题，并提出任何新的问题。
蒂姆，干得好，美联社
蒂姆
伟大的工作
美联社
了不起的工作
嗨，克里斯托夫，这是一个了不起的工作!
两年前，我和我的合作者(布朗大学的高虎建教授和清华大学的吴辉教授)利用硅阳极微粒子在完全锂化后的巨大体积膨胀，建立了一个基于LiFePO4阴极和硅阳极的可充电电池的电化学致动器。我们的LiFePO4||Si电池电化学执行器可以驱动大于10 MPa的高负载，器件响应时间小于1秒。该器件的驱动电压小于4v，比压电材料的驱动电压低两个数量级。通过巧妙的设计，这种驱动器可用于机器人。相关论文的题目是硅阳极锂离子电池的循环驱动大型机械驱动。
你的HASEL执行器耦合液压和静电力，并展示肌肉的lie性能。我对你们的HASEL执行器的两个方面很好奇:(1)环境因素(如温度和湿度)是否/如何影响HEASEL执行器的性能和行为?(2) HASEL作动器的疲劳性能(特别是高周疲劳下作动器的可靠性)如何?提前非常感谢!
嗨,小燕,
嗨,小燕,
感谢您对我们工作的友好评论和周到的问题。
你对电化学执行器的研究很有意思。这是一个聪明的方法，把锂的插入和提取带来的体积变化变成了一个有益的问题!在4 V下驱动>10 MPa的能力非常令人印象深刻，特别是在1秒的响应时间内。我很想知道这些在经过大量循环后的表现。
我们感谢您对不同环境下的操作和疲劳寿命的问题。下面是我对你的问题的回答。
1)环境因素(如温度和湿度)是否/如何影响HASEL执行器的性能和行为?
在我们的情况下，湿度可能是一个重要的环境因素。我们使用离子导体，即用LiCl膨胀的PAM水凝胶(基于上面的参考文献3)作为电极。LiCl具有吸湿性，当相对湿度低于某一阈值(~10%)时，水凝胶失水显著。科罗拉多是一个干燥的气候，但我们只有在冬季的几个月里才会遇到离子导体干燥的问题。在较高的湿度水平下，我们没有观察到执行器性能的任何变化。一些HASEL执行器不需要可拉伸导体，因此可以使用柔性电子导体。
我们还没有研究温度对我们的设备的影响，但这对于某些应用来说可能是非常重要的。我们知道诸如液体电介质的粘度之类的性质取决于温度。我们使用的液体介质(Envirotemp FR3)的倾点为-20℃，这意味着低于此温度的液体不会流动，这将对驱动性能有害。在某些应用中，了解当前HASEL执行器材料的局限性和确定极端条件下的材料将是重要的考虑因素。
2）HASEL致动器的疲劳性能(特别是致动器在高周疲劳下的可靠性)如何?
我们已经对HASEL执行器进行了一些生命周期的初步测试。Donut HASEL执行器在150克负载下进行了超过一百万次的循环测试。在这些条件下，驱动应变为15%，我们注意到一百万次循环后性能没有变化。我们结束测试是为了节省时间，而不是因为设备故障。对这种类型的HASEL执行器进行更长期的测试，以确定生命周期的最大数量，这将是有趣的。
我们还测试了另外两种设计的HASEL执行器的疲劳性能。一个由硅弹性体和预拉伸到刚性框架上的平面HASEL驱动器在158,000次循环后因机械破裂而失效。Peano HASEL执行器由热密封双轴定向聚丙烯制成，在经过20,000次循环后由于热密封的电击穿而失效。额外的实验测试和对柔软和柔性材料疲劳的更好的基本理解将有助于提高HASEL执行器的长期性能。
再次感谢您的评论和问题!
Eric Acome
你好埃里克,
非常感谢您详细的回复。
硅的完全锂化导致体积膨胀300%，从而机械降解、断裂甚至粉碎阳极。完全锂化后，LixSi的锂浓度x达到4.4。在我们的工作中，我们只是部分插入锂，直到最大锂浓度约为0.8。此时，体积膨胀仅为30%左右，避免了锂浓度高导致体积变化大而导致的机械降解。我们在最大锂浓度为0.8的情况下，通过重复锂化和去锂化，测试了基于锂电池的致动器的循环性能，发现该致动器在10万次循环后仍能很好地工作。
你关于HASEL致动器的工作非常令人印象深刻和鼓舞人心，并将对人工肌肉和软机器人的发展产生重大影响。期待你们新颖的HASEL致动器在不久的将来广泛应用于机器人领域。再次感谢你。
水凝胶的渗透屏障
你好Christpoh,
你们小组的工作非常鼓舞人心，为软执行器开辟了新的可能性。这对球场来说是一股新鲜空气!
我想回到Timothy和Eric最近关于设备在环境大气和水环境中的耐久性的评论。我们的团队最近发表了一篇关于可穿戴和可洗涤水凝胶的论文，这可能有助于设计具有增强耐用性的HASEL执行器。活性纺织品用可穿戴和可水洗导体。
值得注意的是，结合吸湿盐和弹性体涂层的效果，可以制造出在环境空气中不会变干的水凝胶装置。此外，我想提请您注意的事实是，有机硅弹性体对水和氧气具有极高的渗透性。Ecoflex对于概念验证设备来说很方便，但也有其他橡胶，如丁基橡胶(一种交联聚异丁烯)，其渗透性比Ecoflex低100倍。这种材料用于制造气密室和轮胎内胆。它实际上是已知的具有最低渗透率的弹性体。
在我们的论文中，我们还表明，在薄丁基橡胶涂层的存在下，盐(NaCl)从水凝胶向去离子水的扩散可以定量地减缓。使用这种材料作为涂层，HASEL执行器可能会在水环境中工作一段时间。
谢谢你惊人的工作!
渗透屏障
你好保罗,
谢谢你的评论!你的工作是迷人的，一定会推动可穿戴离子到下一个层次的可行性。我真的很喜欢把电极涂在丁基橡胶上的想法，这样可以保护电极免受各种环境因素的影响。正如蒂姆和埃里克所提到的，一氧化碳中的空气非常干燥，所以我们的水凝胶在环境条件下不能长时间保持水分。当我们的执行器不用的时候，我们把它们储存在一个临时的湿度室里，这个湿度室是用一个旧鱼缸做成的，用垃圾袋密封，里面装满了一些杯子的水。最节俭的科学。
在一个稍微不同但相关的笔记，我们已经注意到一些有趣的现象有关膨胀和渗透的硅胶壳。最初我们尝试使用硅基变压器油作为液体介质,但我注意到，油会迅速膨胀并扭曲弹性体(在几个小时的过程中)。最终我们选定了一个基于蔬菜变压器油(Envirotemp FR3)，效果很好。然而，随着时间的推移，从几周到个月我们注意到，这种液体介电介质开始渗透通过硅胶膜，导致致动器出现“出汗”。如果大量的液体从执行器中渗出，这种出汗会影响性能。
之一最迷人的关于HASEL致动器的事实是，它们的结构适合于各种材料。用丁基橡胶做壳会很有趣;然后整个驱动器可以在水下工作。我不太了解丁基橡胶的介电性能，也不知道它们是如何与液体电介质相互作用的;然而，液体电介质可以被定制以适应外壳材料所施加的要求。
再次感谢您的评论!
水凝胶电极与弹性体外壳的键合
大家好，Christpoh和Shane，
谢谢你之前的解释。我想再提一个关于水凝胶电极和弹性体外壳之间粘附性的问题。你测量过粘附能吗?在驱动过程中，由于外壳的大变形，您是否看到任何脱胶现象?特别是在重复驱动过程中，这种粘结界面会发生循环变形，粘结疲劳可能成为潜在的问题。你知道如何克服这个问题并确保长期的可靠性吗?再次感谢!
焊接电极
嗨加威
谢谢你的另一个好问题!
在弹性体外壳和水凝胶之间建立牢固的粘附是我们在HASEL执行器中遇到的第一个挑战。这对于平面HASEL致动器尤其重要(本文图2)。我们能够利用。提出的方法等等。将弹性体和水凝胶共价结合。这种技术在平面HASEL致动器上工作得很好，我们没有水凝胶脱键的问题。然而，在其他情况下，HASEL执行器材料之间的附着力可以得到改善。
首先，在将水凝胶粘合到弹性体外壳上后，我们用一层薄薄的Ecoflex(有机硅弹性体)包裹水凝胶。这是通过在水凝胶电极上旋转涂层未固化的Ecoflex来实现的。这一层不是很坚固，在某些情况下，它会剥落，露出水凝胶。改善这种情况的一种方法是采用Paul Le Floch (活性纺织品用可穿戴和可水洗导体）
对于甜甜圈(图1)和Peano HASEL(图3)驱动器，我们仅仅依靠水凝胶的“粘性”来保持电极在弹性体或聚合物外壳上。这就足够了，因为电极只需要具有柔韧性。然而，电极和外壳材料之间的强附着力将有利于改善制造和长期可靠性。
将水凝胶粘合到弹性体和聚合物表面的快速方法对于构建HASEL致动器非常有用。最近提出的方法Wirthl等。由于水凝胶的瞬间粘合，缩短了制造时间。我不太了解专注于粘合水凝胶和聚合物的工作。由于衬底(聚合物)是柔性的，但不具有可拉伸性，因此可能不太需要研究这些材料体系的循环变形。无论如何，一种在水凝胶和聚合物之间获得强粘附的方法对于Peano HASEL致动器(图3)是有用的，它是由双轴取向聚丙烯制成的。
在未来，我们很高兴看到不同柔软和柔性材料之间的粘附性的发展。例如，最近的一篇论文泰勒等人。研究了弹性体与热塑性塑料粘合的一种简单方法。该领域的研究拓宽了HASEL致动器和其他软机器人技术的有用材料和制造方法的范围。
有没有其他的方法来粘接不同的材料，你认为会是有用的研究?也许除了水凝胶导体和弹性体之外，其他材料系统对HASEL执行器来说更方便，也有其他优势?
最好的
Eric Acome
附着力
谢谢你，埃里克!我意识到附着力在执行器中的重要性，附着力对执行器的有效执行和长时间使用都至关重要。对于不同的材料，在不同的应用中，将有很多机会开发不同的粘附方法。
水凝胶和其他材料的粘合是比较新的，方法和你提到的差不多。还有一篇论文Cha等人。
对于其他材料系统，有许多商业产品，也有大量的文献可用。请看这里提供的一些列表。
期待看到下一代的HASEL。
最好的
加威
可拉伸材料在长时间负荷下的疲劳
亲爱的Christoph和所有作者:
谢谢你分享这个轻松有力的工作。一如既往地富有创造力和生产力。此外，读到您对软材料的进展和未来挑战的总结是非常愉快的。
我和我的同事最近对软材料在长时间载荷下的力学性能和行为很感兴趣，即疲劳。以下是我们遇到的几个不同疲劳行为的例子。
1.在静态负载下，预切割的水凝胶可以承受负载很长一段时间，但后来突然完全断裂。(1］
2.在循环荷载作用下，水凝胶非常容易受到预先存在的缺陷的影响，并且可以在比临界载荷小得多的机械载荷下逐渐破裂，从而导致灾难性断裂[1，2，3.]。
3.在循环荷载下，在某些软质材料(如单共价交联PAAm水凝胶)中，材料性能(如应力-拉伸行为)不受影响，但在其他一些软质材料(如双网水凝胶)中，加载周期显著不同。(2］
4.同样在循环载荷或长时间的大单调拉伸下，弹性体(如VHB)上的塑性液体(如DEA的碳折痕)可以形成各种类型的不稳定模式。(4，5］
我可以想象上述所有的例子都可以以某种方式发生在特定种类的软机器人设计中。例如，循环载荷下的疲劳必须是作为握持器使用的软机器人的重要考虑因素。然而，我们很少将疲劳的科学研究应用到实际的工程应用中，比如HASEL。我想知道，在HASEL装置的设计和应用过程中，你们遇到了哪些这样的疲劳行为?如果有，你是如何解决这些问题的?如果HASEL要广泛应用于工业级应用，那么这些设备的疲劳问题还存在哪些挑战?
再次感谢并致以最良好的问候。
Ruobing
HASEL致动器的疲劳
嗨Ruobing,
感谢这些软系统(特别是水凝胶)疲劳行为方面的资源!更详细地研究这些作动器的疲劳行为无疑是有益的。
从我们所注意到的，在[1-3]中研究的那种疲劳和裂纹扩展不会发生在我们的执行器中。在高弹性平面HASEL致动器演示中，第一篇HASEL论文发表于科学,我们使用Yuk等人(参考文献4)的二苯甲酮处理将水凝胶粘合到弹性体致动器外壳上。这种强化防止任何类型的裂纹形成或扩展。在Peano-HASEL论文中，我们使用柔性但不可扩展的材料作为致动器外壳，因此水凝胶不会经历任何显著的应变。我们观察到的唯一机械故障发生在水凝胶干燥变脆的情况下。
正如您在HASEL的两篇论文中看到的那样，我们对所介绍的三种类型的执行器进行了初始寿命测试。结果强调了这些执行器存在的疲劳。甜甜圈HASEL执行器执行了超过100万次循环，没有性能下降或故障(我们在执行器故障之前停止了测试)。使用柔软的柔性材料和低材料应变可能有助于非常高的使用寿命。平面HASEL致动器在机械破裂前持续了约160,000次循环。虽然这些材料使用了非常有弹性的有机硅聚合物，但在测试过程中使用的高载荷(1公斤)会对材料施加很大的应力，从而导致机械疲劳和失效。最后，Peano-HASEL致动器在失效前进行了约20,000次的测试。这里我们使用一个非弹性系统，它依赖于聚丙烯壳的弯曲和屈曲来驱动。你可以想象，这个系统很容易疲劳。事实上，在许多寿命测试中，热密封的失效发生在驱动过程中反复弯曲/屈曲的区域。
这里展示的工作更多的是介绍HASELs作为软执行器技术的新平台。展望未来，我们可以探索许多材料/几何形状，以最大限度地减少疲劳体验。说到Peano-HASELs，我认为在经历重大变形的区域使用更柔韧的材料可以限制这种疲劳。此外，还改进了驱动器的几何形状，将变形扩展到更大的区域，而不是局部的折痕和屈曲。
希望这能让你们对执行器的疲劳有更多的了解。这当然是一个重要的研究课题——我相信软机器人社区会想出一些创造性的解决方案!
如果您有任何问题，请告诉我们!
亲爱的Christoph:干得好!
亲爱的Christoph:干得好!恭喜你!
正如许多来自索志刚教授的小组成员一样，我们也在浙江大学从事软机器人研究。我们已经在带有机载电源的电介质弹性体驱动的机器人上做了很多尝试(例如快速移动的软电子鱼，Science Advances, 2017, 3,4)http://advances.sciencemag.org/content/3/4/e1602045）.这种完全柔软的机器鱼可以快速移动和转弯。然而，电击穿问题仍然是这类机器人在实际应用中的一个巨大挑战。你论文中关于自我修复的观点将真正启发人造肌肉的设计。
技术问题:
1.液体被包裹在两层弹性膜之间，当施加高压时，弹性膜是否也会被击穿?
2.根据我们在电介质驱动软机器人方面的经验，所需的高电压对于寿命和效率来说仍然是一个相当大的挑战，对于这种新颖的执行器设计，您是否有想法在未来降低执行电压?
再次感谢你的论文和想法。让我想起了我们在哈佛一起工作的美好时光，那已经是9年前的事了，时光飞逝。
自愈和低电压
嗨Tiefeng。
非常感谢你的祝贺。我们确实很熟悉你们的电子鱼的工作，我们觉得非常迷人。我特别喜欢在DEA中使用液体作为电极!我来回答你的两个问题:
1.液体是笼罩在介于两者之间elastomric膜,当施加高压时，弹性体膜是否也会被击穿?
这是正确的。液体被一层弹性外壳包裹，在加热过程中会受到损伤分解。外壳为上图1A中的白色材料，上图f中的灰色材料。请注意在图1F中，击穿后弹性体外壳的一小部分被损坏。我们发现ecoflexPDMS材料可以使受损区域重新密封，即使现在有一个小洞，也可以将液体留在装置内。在外部使用弹性水凝胶也有助于确保液体即使在破裂后也保持封装。《科学》论文的图S14更多地讨论了分解。
此外，重要的是我们指出，液体和外壳材料的介电强度应该相似，以便从电损伤中完全自愈。对于使用非弹性BOPP的Peano-HASEL，我们可以在任何击穿之前施加高电场，因为BOPP具有非常高的介电强度。然而，在第一次击穿之后，由于BOPP没有重新密封，不仅外壳泄漏，而且在电极之间有一条纯液体介电路径。由于液体的击穿强度比BOPP低得多，因此无法在初始击穿之前使用相同的高场。我们认为机械自愈材料的使用，如我们在[19,20]和上面的初始帖子中讨论的，可能会对未来的工作非常有趣。
2.根据我们在电介质驱动软机器人方面的经验，所需的高电压对于寿命和效率来说仍然是一个相当大的挑战，对于这种新颖的执行器设计，您是否有想法在未来降低执行电压?
是的，我们完全同意高电压的使用对这些设备来说仍然是一个挑战。正如您所知，决定DEA和HASEL性能的是电场，而不是总电压。使用更薄的材料将显著降低所需电压;我们在《科学》中使用了think和easy来制作概念证明层。我们还希望探索具有不同物理特性(如介电常数)的新材料。我们也有兴趣探索不同种类的介电液体，这可能有助于这一原因。
我们有信心有一些需要更低电压的工作准备在下个月的SPIE上展示。如果您要参加该会议，您当然应该计划查看EAP的实际操作部分。
[19]李朝辉，王朝林，左建林，金利，孙勇，郑平，曹勇，李飞，林德，游先哲，一种高弹性自愈弹性体。自然化学，8(6)，(2016)，p.618。
[20]曹玉文，刘志强，李志强。Allec，王宝明，王宝明，一种透明、自修复、高可拉伸离子导体。高分子材料学报，2016,32(5):591 - 591。
机电不稳定
亲爱的Christoph和所有作者:
谢谢你鼓舞人心的工作。向大家表示最衷心的祝贺。
正如你在帖子中提到的。”Donut HASELs经历安全的机电不稳定以达到大变形”，我的问题是平面HASEL执行器是否也能经受机电不稳定以获得大变形?此外，预拉伸有助于消除电介质弹性体执行器的机电不稳定性。我想知道你预拉伸平面HASEL致动器的原因?
谢谢
秦Lei
HASEL致动器的不稳定性
嗨，秦磊。
谢谢你的评论和问题!
平面HASEL致动器的工作方式类似于介电弹性体致动器(dea)。电极覆盖整个液体介质区域，当电场通过介质层施加时，器件厚度减小，面积扩大。与环形HASEL致动器经历安全的机电不稳定相比，平面HASEL致动器经历与dea类似的机电不稳定的介电击穿。然而，HASEL致动器的液体介电层能够从介电击穿中自我修复。
正如预拉伸有助于消除dea中的机电不稳定一样，预拉伸有助于防止平面HASEL执行器中的机电不稳定并提高性能。最近的一篇论文Koh等人。提出了横向约束dea性能的详细理论分析，我们发现其中一些原理也适用于平面HASEL致动器。
正如Christoph在上面提到的，我们喜欢弄清楚如何有利地利用不稳定性。许多论文都采用了这种方法来实现流体执行器的有趣和显著的性能(Overvelde等人。)及环境影响评估(Keplinger等人。）.我们认为HASEL执行器中的电液耦合可以实现许多有用的不稳定性和非线性性能。甜甜圈HASEL执行器的拉入不稳定性只是一个简单的例子，我们期待着在未来进行更多的研究。
我们很乐意听到力学界的想法和建议，关于我们如何利用HASEL的结构和材料来创造一些有趣的软执行器。
再次感谢您的关注!
最好的
Eric Acome
令人难以置信的工作!祝贺!
亲爱的Christoph:
非常感谢你在IMechanica上发表这个令人难以置信和鼓舞人心的工作，这使我们能够更多地了解HASEL。万博manbetx平台
软致动器是软机器人的重要组成部分。这是伟大的学习HASEL可以耦合介电弹性体和流体致动器，并表现出独特的属性(例如，自我修复)。我可能有以下问题，关于输出力和施加的电压。
1)在图1E中，似乎更小的电极可以产生更大的力。这个力是由麦克斯韦应力引起的?输出力在机器人应用中起着重要的作用。有什么建议来增强这些力(例如，使用高介电常数的流体)?
2)液体的密度是多少(可能会影响执行器的能量密度)?
3) HASEL是否可以用更低的电压和特定的流体驱动?如果所需电压低于1kV，则可以通过板载低压电池驱动机器人，并配以体积非常小的电压放大器。因此，机器人可以实现无系绳设计(这可能会显著提高机器人的运动和功能)。
再次感谢你的出色工作!恭喜你!
最好的
剑
回答您的问题
亲爱的剑,
谢谢你对我们最近工作的夸奖。我们非常感谢学术界对我们的大力支持和鼓励。回答你的问题:
1)。图1所示的甜甜圈HASEL执行器遵循Pascal液压原理(https://www.britannica.com/science/Pascals-principle）.麦克斯韦应力引起壳体内的液压压力，这与电极尺寸无关。这种压力作用在壳体上，输出力由壳体与负载接触的表面积决定。因此，在致动过程中，与负载接触的表面积越大，力就越大。我们证明了具有较小电极的致动器比具有较大电极的相同致动器产生更大的力。然而，在驱动过程中，较小的电极移动较少的流体，因此该驱动器实现较少的应变。具有较大电极的执行器是完全相反的(较低的力，但较大的应变)。通过简单地改变电极的大小，可以调整执行器的性能，以适应特定的应用。
2)。我们在论文中使用的液体介质的密度是0.96 g/cm3。
3)。HASELs由麦克斯韦应力驱动，该应力与复合电介质的电场平方和介电常数成正比。因此，可以利用具有非常高介电常数的复合介电结构在较低电压下实现高麦克斯韦应力。降低工作电压的一种更简单的方法是使用具有高介电强度的薄壳膜，因为麦克斯韦应力与电场呈平方依赖关系。Peano HASEL执行器正是这样做的，并利用薄但灵活的聚合物外壳。
将工作电压降低到1kV以下当然是我们的目标。然而，我认为Peano HASEL论文中使用的材料系统已经可以实现不受束缚的操作。有几家公司(EMCO和Pico Electronics)专门从事微型DC-DC高压放大器，这种放大器可以由手机电池供电，输出10kV。我们目前有多个不受限制的演示，我们将在3月初在丹佛的SPIE上展示。
话虽如此，进一步降低电压是必要的，以进一步降低电子设备的复杂性。这种复杂性的降低将导致更小的电子封装，可以在非常高的速度下切换，并且非常轻。
干杯!
有趣的工作!
问候Christoph(和公司)，
伟大的工作!这无疑为软机器人技术提供了许多可能性，所以我很高兴看到这项工作的发展方向。我有几个笔记/问题:
1.关于气泡:既然你使用PDMS，我很惊讶，气体不简单地渗透通过弹性体
2.关于保水:保罗已经在上面讨论过了，但我想补充的是，LiCl本身并不是最吸湿的盐，所以如果保水是你所追求的，你可以选择尝试其他具有更低平衡RH的盐(见格林斯潘）.
3.有些人问过关于击穿的问题，但我很好奇(特别是因为它是方波/高压信号)你是否注意到与水凝胶电极相关的化学反应?
4.你所描述的制造过程似乎最接近于聚合物薄膜的热压印(至少对于花生- hasel来说)，这当然会使它非常适合规模化制造。我很好奇您认为哪种先进的制造方法对您的系统最适用/最有前途，因为需要用液体电介质填充空腔确实使该过程复杂化。实现
最好的
凯文
齿顶高
我似乎无法编辑我上面的帖子，所以我很抱歉，因为它有点不完整。关于气泡的问题，重新阅读论文后，你的设计中出现问题的原因更明显了，所以请忽略那个评论。虽然只有PDMS组成的弹性密封应该允许气体通过膜扩散(尽管如前所述，它也允许相当多的其他气体通过膜扩散)。
关于制造的问题，我想提到的是在挤压印刷中，我可以预见到像詹妮弗·刘易斯的逃亡的墨水S在弹性体材料中打印空腔，然后可以在打印后填充。自由选择粘合材料的能力(除了使用填充材料来避免这种情况，比如你已经主动这样做的空气注入)似乎还没有出现在该领域。
最好的
凯文
新材料和智能制造技术
你好凯文,
感谢您的宝贵意见和建议。
这项工作背后的动机是提出一个新的想法，可以突破软执行器技术的极限，并为我们所能做的事情开辟更多的可能性。因此，我们使用现成的材料来演示这些概念。
是的，PDMS应该是透气性好的。然而，这是一个相对缓慢的过程。如果有足够的时间，在故障中产生的气体应该能够渗透到外部。
允许气体快速渗透的新材料将提高电介质击穿后的性能和可靠性，因为其理念是在任何击穿事件发生后立即启动并运行执行器，而不会暂时影响电介质强度，直到气体扩散出系统。
这是一个关于吸湿盐的好建议!在这篇论文中，我们使用了我们事先了解并能立即获得的材料。因此，我们使用LiCl，因为它被证明更具吸湿性，更适合用于导电水凝胶，而不是NaCl或其他常见的盐。
在未来的工作中，我们将从您建议的参考资料中获得线索，并使用其他有助于防止水凝胶在低湿度环境中干燥的盐进行实验。
在Peano-HASEL设计中，我们使用铜带条作为中介将电源连接到水凝胶电极。在铜和水凝胶的界面，我们注意到一些化学反应形成了一点盐沉积。(绿色沉积物，主要是由Cu与LiCl反应形成的氯化铜)。然而，它并不影响电极的性能或导电性。使用反应性较低的材料系统可能能够防止这种情况的发生。
Peano-HASEL执行器得益于使用不可扩展的材料作为外壳，为我们提供了广泛的材料选择，其中大部分是可热封的热塑性塑料。这使得热封袋变得简单，类似于热压印，然后填充液体电介质。在一个行业中，这应该是一个非常简单的过程。这就是使用热封BOPP片材的动机，并展示了制造的便利性。
另一方面，平面HASEL致动器需要一个弹性系统。它们可以由热塑性弹性体(如热塑性聚氨酯)制成。这可能会使制造过程像皮诺-哈塞尔一样简单。开发与硅橡胶性能相当的热塑性弹性体将是制造hasel的好方法。
3D打印是制造复杂几何形状HASELs的一种很好的方法。正如您所注意到的，我们需要使用一种可以被清除的填充材料来创建液体电介质所需的空腔。詹妮弗·刘易斯(Jennifer Lewis)小组关于使用易失性油墨的论文提出了一种非常简单且可扩展的方法。谢谢你的分享。大多数3D打印系统不能打印多种材料，在打印时必须使用由相同材料制成的支撑结构，而空腔将永久留在内部。这可能会损害性能，特别是在利用完全液体介质的hasel的情况下。然而，有了多材料打印机和这种有趣的可溶于水或酒精的固体，我们可以有可以完全清除的支撑材料，并有干净的空腔来填充电介质。
你知道市面上有什么可印刷材料是水溶性的吗?例如，这个小组提出了一个巧妙的想法，使用融化的糖作为可溶性支撑材料。（https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/10163/1/3D-printing-PLA-and-silicone-elastomer-structures-with-sugar-solution/10.1117/12.2258689.short?SSO=1）
在过去的1-2年里，能够与硅胶和凝胶一起工作的3D打印机有所增加。所以我们很快就能看到这些执行器快速原型的发展，特别是有趣的几何形状。
亲爱的Christoph,
亲爱的Christoph,
祝贺你的出色工作。正如志刚所提到的，你是我们钦佩的，推动了这个想法到目前为止!
中国志刚的一些学生正在研究凝胶、弹性体和液体的结合。我也参与其中。志刚给它取了一个美丽的名字GEO。我们已经玩了很长时间了。我有两个问题:
1.当你加入油，你呈现的优势是自我修复的性质。这个想法真的很巧妙。我很好奇，因为油的介电常数比弹性体高得多，所以与传统的介电弹性体(如VHB)相比，使用油能产生更大的力吗?
2.我们对GEO中的pull-in做了一些分析，虽然我们的配置和你们的不太相似。那么你认为插入式设计是你设计的一个重要特征吗?为什么?我们机械师对此很感兴趣。
最好的
Tongqing
感谢您对HASEL技术的反馈!
亲爱的传来,同庆
非常感谢您的积极评价!
是的，志刚在之前的评论中提到了一些在GEO上尚未发表的努力;我很好奇这些论文上线后会是什么样子。GEO无疑是一种非常丰富的材料组合，在力学和材料创新方面非常丰富。至于GEO，我建议你考虑把你的分析范围扩大一点。我们已经取得了一些非常好的结果，它不依赖于弹性体，也可以用薄金属薄膜作为电极——而且，花生hasels可以作为非常好的电液人造肌肉。也许你正在研究的与GEO相关的一些力学概念可以推广和更广泛地应用于系统，这些系统包括液体电介质，薄聚合物薄膜(包括但不限于弹性体)和导体(水凝胶，但也包括薄金属薄膜或其他类型的可拉伸导体)。当然，你必须改编GEO这个美丽的名字，你可能不想这样做。从某种意义上说，GEO可以看作是HASEL的一种特殊情况，它使用了弹性体和水凝胶。我期待在iMechanica上看到你们的结果和讨论!万博manbetx平台
以下是对你的问题的回答:
1)自愈只是使用液体电介质的优点之一。我认为更重要或同等重要的是对软液压执行器进行直接电气控制的能力，这是非常通用的，可以实现许多不同的驱动模式。我们仍在探索如何处理具有高介电常数或介电强度的不同类型的油，这两者都会影响麦克斯韦应力。这也是一个很好的功能，HASEL执行器可以优化为一个特定的应用，利用液压放大，正如我们所示的甜甜圈HASEL执行器。
2)我们已经证明了甜甜圈HASEL执行器经历了一个拉入过渡，这可以从我们的实验数据中清楚地看到。这是否是需要的特性取决于具体的应用程序。一些应用程序可能受益于双稳态行为(可能是软机械开关或触发器，也可能是阀门)，其他应用程序不会受益于拉入。HASEL致动器的设计非常通用，我们已经有了这些致动器的版本，这些致动器不显示这种高度非线性响应，而是以单调的、几乎线性的行为反应(这可以简化机器人应用中的控制功能)。
狗年快乐!
最好的
Christoph