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

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

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