Science Advances：薄膜人工肌肉實現大幅度面外致動

介電彈性體是一種可在電場作用下迅速產生大形變的一類材料，因此被廣泛應用在軟體機器人、可穿戴設備、醫療器械、觸覺反饋等領域。

現有介電彈性體致動器通過靜電力擠壓材料在其厚度方向產生的形變較小，因此往往需要通過堆黏大量薄膜致動器以實現毫米級別的應變輸出。而此類致動器制備通常耗時較長，同時也存在諸如粘接面缺陷、界面分層和低良率等缺陷。

近日，UCLA裴啟兵教授團隊和四川大學楊偉教授團隊合作通過介電復合材料內部結構的設計，制備了大幅度面外應變輸出的致動器。本工作報道了一種電泳聚集的方法調控氮化硼納米片（BNNS）在介電彈性體納米復合材料中的分布，制備了無界面的雙層結構介電彈性體納米復合材料（UNDE）。進一步設計電極實現局部電泳聚集，制備出具有大面外應變輸出/材料厚度比（13倍）的軟線性致動器，以此為鏡頭線性馬達搭建的高速雙透鏡變焦系統展現出超過40倍的光學變焦能力。相關工作以題為A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large out-of-plane actuation的研究性論文在Science Advances上發布。

【圖文分析】

電泳聚集法制備UNDE薄膜的過程

圖1：?用于制作UNDE薄膜的電泳聚集過程的圖示。

電泳聚集工藝如圖1A所示，采用該方法制造了在一側表面具有高濃度BNNS層的UNDE 膜。圖1B展示了用于觀察分散有BNNS的預聚物混合物的電泳聚集過程的裝置。對不同時間點光學相機捕獲的灰度圖片（圖1C）進行處理后得到了電泳聚集過程隨時間變化的關系圖1D。

UNDE薄膜的結構表征及彎曲機理

圖2：?UNDE薄膜的結構表征和彎曲機理

SEM圖像（圖2B）清晰展示出電泳聚集工藝使BNNS僅分布在UNDE薄膜接近表面的約3.1μm基體層中。由于BNNS在厚度方向的不均勻分布，UNDE在厚度方向上展現出各向異性（圖2C），同時UNDE的楊氏模量以及擊穿強度都得到了不同程度的提升（圖2D,2E）。

當在UNDE薄膜厚度方向上施加電場時，薄膜會立即產生彎曲變形。其致動機制如圖2F所示。這里假設每一層的性質是均勻的，UNDE薄膜可以劃分為BNNS聚集層和純聚合物層的兩層模型進行分析。在施加電場時，兩層材料由于不同的楊氏模量和介電常數導致其經歷不均勻的壓縮應變，比值k > 9.5，最終導致薄膜向BNNS集中側的彎曲變形。

UNDE致動器的彎曲驅動

圖3：?3wt%UNDE致動器的彎曲致動性能

一個含有3 wt%BNNS的UNDE彎曲致動器照片如圖3A 所示。梯形的集合結構有利于抑制轉角出的不均勻應變。將長邊邊緣固定后，DEA則以單向彎曲方式驅動，圖 3B展示出在厚度方向上施加不同電場其彎曲致動結果。彎曲曲率對電場強度的具體依賴性如圖3C所示。圖3D展示了在0.2 Hz的驅動頻率下施加不同強度的電場過程中，三個連續驅動周期中記錄的曲率值隨時間的變化。介電彈性體的黏彈性導致了兩個穩定狀態之間轉化時會有短暫延遲。圖3G顯示了在21 MV/m電場強度和10 Hz頻率下致動器工作超過 100,000 次操作循環的連續疲勞測試結果，體現出良好的耐久性。

基于多個UNDE的圓盤形線性DEA?

圖4：圓盤形線性DEA的結構及其驅動性能

進一步，通過在相鄰局部區域之間施加方向相反的電場，將六個環形扇形區域中的BNNS交替集中在相鄰表面上（圖4A）。交聯后的圓盤狀薄膜中的六個UNDE的兩側表面都組裝上CNT電極，當對BNNS在同側的三個扇形區域的電極充電后，三個帶電扇形區域的彎曲響應共同轉化為內圓環的平面外位移（圖4B）。通過周期性地電壓觸發兩組聚集位置不同的UNDE單元即可實現薄膜裝置的雙向線性驅動（圖4C）。圖4D顯示了其在不同電壓作用時產生的穩定的雙向線性沖程。圖4F表明，該圓盤形DEA在19 MV/m電場下運行過程中調節不同的驅動頻率（1、2、5和10 Hz）不會對輸出沖程產生影響，這意味著該線性薄膜DEA的沖程輸出在工作頻率高達10 Hz的范圍內的無衰減，而單一的UNDE彎曲致動器的彎曲曲率會隨著頻率的增加而迅速減小（圖4G）。

緊湊型直驅鏡頭馬達

圖5：由圓盤形線性 DEA作為鏡頭馬達驅動的光學變焦系統

圓盤形線性DEA用作獨立的鏡頭馬達制備緊湊型自適應變焦鏡頭系統，該鏡頭馬達可直接驅動光學元件并在大范圍內改變系統的焦距。雙鏡頭變焦系統的示意圖如圖5A所示。通過增加兩個鏡頭之間的距離，系統的焦距會減小，過程中從遠到近處于工作距離上的物體可以分別投影到同一圖像平面上。這里的DEA鏡頭馬達與商用超聲波電機(USM)的最大不同在于后者需要額外組件（例如齒輪、轉子和滑塊）將壓電致動器的振動轉換為驅動鏡頭的線性運動。圓盤形透鏡馬達可直接沿光軸驅動凸透鏡（圖5B），使搭建的調焦系統更緊湊。圖5D（左）顯示了變焦鏡頭系統的安轉設置，該系統由安裝在圓盤形鏡頭馬達內環空腔中的非球面凸透鏡（f₁?= 10.92 mm）和相距6.6 mm的雙凹透鏡（f₂?= -6.0 mm）組成。鏡頭馬達帶動凸透鏡的位移可有效地調整了兩個透鏡之間的距離，將雙透鏡光學系統的工作距離從距離透鏡組12 cm的花朵切換到距離系統300 m的建筑結構上（圖 5D，中、右）。具體來說，當雙鏡頭初始距離為5.65 mm時，搭建的光學變焦系統具備從20到850 mm的40倍光學變焦能力。

【結語】

本文報道了一種通過電泳聚集的方法以調控BNNS在介電彈性體復合納米材料薄膜中分布，制備的圓盤形線性DEA實現了大幅度(薄膜厚度的13倍)高頻率（10Hz）平面外沖程輸出。基于開發的線性馬達制造了大變焦范圍緊湊型光學系統或應用于虛擬現實頭盔和機器人視覺系統等硬件設備。該工作提供的制造工藝、材料設計和致動器結構將推動人造肌肉領域的前進，促進柔軟、仿生和緊湊機電設備的開發。