布里斯托大學AFM：電場驅動的介電泳彈性體致動器

kongxy 8個月前 (02-06) 1006瀏覽

當介電體被放置于一個不均勻電場中時，該介電體會被極化并沿著電場的強度分布梯度方向移動，這種現象被稱作介電泳。介電泳已被廣泛用于操控微液滴或微顆粒，但很少有研究關注介電泳對大體積彈性體的操控。相對比，利用靜電力的介電彈性體致動器是通過電極的移動或變形來實現驅動過程，彈性體的移動范圍受限。雖然磁性致動器不需要被操控物體與導磁體的接觸，有響應速度快，移動靈活度高等優點，但是需要產生足夠強的磁場才能進行操控，因此磁控設備往往體積巨大且耗電大。如果能利用介電泳作為驅動力，則既能實現較高的自由度又不需要復雜的控制設備和高能耗。最近，來自布里斯托大學的研究者們研發了一種以介電泳為驅動力的的彈性體致動器。此致動器在一個不均勻電場的作用下實現了面外驅動，并展示出在氣泵、光學透鏡、機器人領域中的應用前景。

該工作以“Electric Field-driven Dielectrophoretic Elastomer Actuators”為題發表在“Advanced Functional Materials”雜志上。文章的通訊作者是布里斯托大學的Jonathan Rossiter教授和帝國理工學院的Majid Taghavi博士。第一作者是布里斯托大學博士生徐慈群。

研究者首先通過均勻電場與不均勻電場的驅動效果對比，證明了利用介電泳驅動柔性彈性體的可行性。隨后設計了一種簡易的介電泳致動器（圖1），一個圓柱形電極置于上方，一個環形電極置于下方，而介電泳彈性體置于環形電極上，需要注意的是上方電極并沒有與彈性體接觸。當電壓啟動后，由于電極的獨特結構，在彈性體周圍形成了一個不均勻電場，彈性體被極化，隨后受到介電泳的驅動，朝著強電場強度梯度方向形變。介電泳驅動對彈性體材料提出了三點要求：可被極化，高電場擊穿強度，低楊氏模量。對此研究者針對介電泳彈性體的電學性能和機械性能展開了詳細研究（圖2）。此外，研究者結合實驗探究與電場模擬討論了電極的尺寸對驅動性能的影響（圖3）。基于以上研究結果，研究者利用介電泳彈性體致動器開發了多種應用，包括氣泵，可調焦距的光學透鏡，行走機器人。