网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

清华大学王朝《自然·通讯》:具有大应变、高能量密度的介电弹性体用于快速运动软体机器人

0
分享至

介电弹性体(Dielectric elastomers)是一种在外加电场作用下受静电力影响发生显著变形的电响应材料,具有驱动应变大、能量密度高、响应速度快等优点。然而,目前现有的介电弹性体通常具有低介电常数和高刚度的特点,使得介电弹性体一般需要极高的驱动电场(通常> 100 MV/m)才能实现大驱动应变和高能量密度,这严重限制了介电弹性体的广泛应用。因此,开发在低电场下具有大驱动应变和高能量密度的介电弹性体是该领域的重要挑战。

在此,清华大学王朝课题组报道了一种具有高介电常数(10.23,1 kHz)和理想杨氏模量(~0.09 MPa)的氟化丙烯酸酯类介电弹性体,能够在低驱动电场下同时实现大驱动应变与高能量密度。该介电弹性体在46 MV/m的电场下可实现253%的大驱动应变,同时在40 MV/m的电场下比能量与比功率分别高达225 J/kg和2245 W/kg,以该介电弹性体制备的软体机器人能够实现20 BL/s(身位/秒)的运动速度,可与自然界中的猎豹媲美。该文章以“A large-strain and ultrahigh energy density dielectric elastomer for fast moving soft robot” 发表在期刊《Nature Communications》上,第一作者为清华大学化学系博士研究生凤文文。

图1. 介电弹性体的设计和高性能驱动。

为了开发低驱动电场下的高性能介电弹性体,作者设计了2,2,3,4,4,4-六氟丙烯酸丁酯(HFBA), 2-乙基丙烯酸己酯(EA)和丙烯酸十二酯(DA)的无规共聚物。在该策略中,HFBA段中丰富且高极性的CF3基团提供了高介电常数。具有较大位阻侧链的EA作为共聚单体来降低共聚物的杨氏模量。DA中的长烷基侧链堆积形成物理交联点增强聚合物的弹性与机械性能。因此,该介电弹性体在1 kHz时的介电常数高达10.23,其杨氏模量约为0.09 MPa,同时具有良好的弹性。

图2. 介电弹性体的机械性能和介电性能

由于该介电弹性体(PFED10)具有高介电常数与低杨氏模量,其机电灵敏度(介电常数与杨氏模量之比)高达114,是商业介电弹性体VHB 4910的7倍以上,表明其具有优异的驱动性能。作者首先在没有预拉伸的情况下测试了PFED10和VHB 4910的实际驱动性能。PFED10

在13 MV/m电场下的驱动面应变为25%,而VHB 4910在相同电场下的驱动面应变仅为5%。在施加2.75×2.75倍双轴预拉伸下后,PFED10在仅46 MV/m的电场下实现了253%的驱动面应变,几乎是VHB 4910的14倍,优于近年来开发的大多数介电弹性体。高机电灵敏度允许PFED10薄膜在100 V的极低电压下被驱动。同时, PFED10具有出色的循环稳定性,在120%的大驱动面应变下,能够稳定地循环10,000圈。

图3. 介电弹性体的驱动性能

高介电常数和大驱动应变赋予了PFED10在低驱动电场下的高能量密度和功率密度。作者以纯剪切模式测试了PFED10的比能量和比功率。当负载为60 g时,PFED10在20 MV/m的电场下比能量为75 J/kg,而VHB 4910仅为16 J/kg。当负载为120 g时,PFED10实现了50%的线性应变,比能量高达225 J/kg,几乎是VHB 4910(78 J/kg)的3倍,甚至是最先进的介电弹性体(~100 J/kg)的2倍,PFED10相应的比功率也高达2245 W/kg。此外,PFED10在纯剪切线性驱动下也表现出良好的循环稳定性。为了扩大能量输出,作者制备了两个更大的平面纯剪切介电弹性体致动器。由于PFED10的超高比能量,两个组合的平面介电弹性体致动器能够举起1.5 kg的水桶,并且仍然达到35%的线性驱动应变。

图4. PFED10的能量密度与功率密度

作者进一步制备了由PFED10驱动的超快速运动软体机器人。PFED10的大应变和超高比能量使得软体机器人具有足够的驱动力实现快速运动。基于PFED10的软体机器人在锯齿形衬底上,能够以最大速度20.6 BL/s进行快速运动,其运动速度与自然界中的猎豹媲美,同时是基于VHB 4910的软体机器人(0.33 BL/s)的60倍,代表了目前介电弹性体驱动的软体机器人的最高运动速度。此外,基于PFED10的软体机器人可以在不同的基底上快速运行。同时,该软体机器人具有良好的负载能力与攀爬能力。由于PFED10具有优异的低压驱动性能,作者实现了介电弹性体驱动的低压软体机器人,该机器人能够在400 V下驱动运行。

图5. 基于PFED10的快速运动机器人

总结:该研究提出了一种具有纳米域动态物理交联网络的极性氟化丙烯酸酯类介电弹性体。这一策略很容易赋予介电弹性体高介电常数和良好的机械柔性,在低电场下同时实现大的驱动应变(253%)和超高的比能量(225 J/kg)。利用该高性能介电弹性体,作者进一步制备了介电弹性体驱动的软体机器人,实现了介电弹性体驱动的软体机器人中最快的运动速度(20.6 BL/s),并且实现了介电弹性体软体机器人的400v低压驱动。该研究有望拓宽低驱动电场下高性能介电弹性体的发展,并使下一代高性能移动软体机器人的应用成为可能。

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
NBA澳门赛暴露咖位,任达华成小透明,香港顶流靠边站,C位是他们

NBA澳门赛暴露咖位,任达华成小透明,香港顶流靠边站,C位是他们

娱说瑜悦
2026-10-10 15:10:05
近200家中国实验室被一锅端!输美产品检测无效,这一招比关税狠

近200家中国实验室被一锅端!输美产品检测无效,这一招比关税狠

史行途
2026-10-10 00:06:20
拘留3人都没用!极端粉再放狠话,还会攻击王皓,硬扒黑料要毁他

拘留3人都没用!极端粉再放狠话,还会攻击王皓,硬扒黑料要毁他

橘仔看世界
2026-10-11 13:38:19
林诗栋地位确立!代表国乒被接见,挨领导坐首排,王励勤一旁见证

林诗栋地位确立!代表国乒被接见,挨领导坐首排,王励勤一旁见证

三十年莱斯特城球迷
2026-10-10 17:25:03
11分钟仅0分2助攻!火箭边缘2人组难留队?同位置名将扎堆,或成被裁首选

11分钟仅0分2助攻!火箭边缘2人组难留队?同位置名将扎堆,或成被裁首选

熊哥爱篮球
2026-10-11 10:03:49
皇马跌宕险胜黄潜,赛后3大核心疑问:迪奥曼德得到验证;穆帅换下阿诺德,是为了维尼修斯!

皇马跌宕险胜黄潜,赛后3大核心疑问:迪奥曼德得到验证;穆帅换下阿诺德,是为了维尼修斯!

福酱的小时光
2026-10-11 08:03:41
对标Photoshop!开发者用Claude Opus 5.5连造7款开源软件,只因受够了Adobe订阅制,甚至放话:软件已终结

对标Photoshop!开发者用Claude Opus 5.5连造7款开源软件,只因受够了Adobe订阅制,甚至放话:软件已终结

CSDN
2026-10-09 18:19:12
蒋万安专访翻车!郭正亮当场逼问尴尬了,人气被沈伯洋碾压!

蒋万安专访翻车!郭正亮当场逼问尴尬了,人气被沈伯洋碾压!

做个平凡的轩友
2026-10-09 09:55:06
四部门征求意见:禁止配备全隐藏式门把手 不得采用折叠显示屏、柔性显示屏!

四部门征求意见:禁止配备全隐藏式门把手 不得采用折叠显示屏、柔性显示屏!

闪电新闻
2026-10-11 11:29:58
特朗普谈乌克兰问题:普京希望看到“达成坚定协议”,泽连斯基拒不停战

特朗普谈乌克兰问题:普京希望看到“达成坚定协议”,泽连斯基拒不停战

娱乐的宅急便
2026-10-11 13:18:49
爆大冷!第91分钟绝杀,中超领头羊轰然倒下,无缘提前夺冠

爆大冷!第91分钟绝杀,中超领头羊轰然倒下,无缘提前夺冠

足球狗说
2026-10-10 21:29:20
老婆坦白出轨我的好哥们,我二话不说办了离婚,她转身就改嫁,七年后我带着名牌大学毕业的儿子,在街上碰到前妻她脸色顿时铁青

老婆坦白出轨我的好哥们,我二话不说办了离婚,她转身就改嫁,七年后我带着名牌大学毕业的儿子,在街上碰到前妻她脸色顿时铁青

百晓史
2026-10-11 10:21:24
出现这1种面相,可能是肿瘤前兆!别以为只是变丑了

出现这1种面相,可能是肿瘤前兆!别以为只是变丑了

39健康网
2026-10-10 17:31:06
人至七旬终明白:越“贪色”的老人,越长寿、越快乐

人至七旬终明白:越“贪色”的老人,越长寿、越快乐

风起见你
2026-10-10 00:37:12
凭什么一美元可以换我们七块人民币?

凭什么一美元可以换我们七块人民币?

流苏晚晴
2026-09-18 14:26:20
他从缅北园区逃出来,给被困的人留了句话:别打车

他从缅北园区逃出来,给被困的人留了句话:别打车

小虎新车推荐员
2026-10-11 00:42:57
3-0横扫!弗里克神了:率队8轮全胜,巴萨甩开皇马,稳居榜首

3-0横扫!弗里克神了:率队8轮全胜,巴萨甩开皇马,稳居榜首

足球狗说
2026-10-11 02:30:39
江淮跌停,尊界翻车,华为回应为何如此傲慢?

江淮跌停,尊界翻车,华为回应为何如此傲慢?

凤眼论
2026-10-08 19:17:27
山东取暖补贴分清三类:企业退休1700,机关、农村标准不一样

山东取暖补贴分清三类:企业退休1700,机关、农村标准不一样

娱乐的硬糖吖
2026-10-11 01:25:10
能把烟戒掉的只有三种人,多数人都熬不过第一阶段

能把烟戒掉的只有三种人,多数人都熬不过第一阶段

健身狂人
2026-10-09 14:20:39
2026-10-11 14:36:49
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
16939文章数 66940关注度
往期回顾 全部

科技要闻

卸任CEO后,苹果董事长库克再度到访中国

头条要闻

男子打扫发现女友偷留上千私房钱 喊兄弟来家中"作案"

头条要闻

男子打扫发现女友偷留上千私房钱 喊兄弟来家中"作案"

体育要闻

十年回首:湖人三榜眼的夏天,与NBA无关

娱乐要闻

梅艳芳63岁冥诞骨灰被盗,亲哥从不知情

财经要闻

黄仁勋长女完婚,万亿帝国如何传承?

汽车要闻

红旗天工07上市 限时16.79万起 硬核通关巴音布鲁克

态度原创

游戏
数码
亲子
本地
公开课

巫师3RE开光追帧率暴跌!CDPR仍需努力优化

数码要闻

小米首款NAS迎重要更新!支持定期检测硬盘健康状态

亲子要闻

别克 LPGA 锦标赛在手,解锁松江亲子撒欢好去处

本地新闻

踏访沙县第一村,寻国民小吃本源

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版