宁夏大学冒杰/清华大学党智敏合作ACS Nano：超高性能介电弹性体

随着软体机器人技术的快速发展，对其核心驱动部件——介电弹性体执行器的性能要求日益提高。传统介电弹性体材料，如常用的VHB丙烯酸酯弹性体，受限于其固有特性，往往存在击穿强度不足和机械损耗过高的问题，难以满足先进机器人对高能量密度和高功率密度的严苛需求。如何通过提升介电击穿强度来同时获得大电致变形、高能量密度和高功率密度的介电弹性体，一直是该领域面临的一项重大挑战。

近日，宁夏大学冒杰副教授、清华大学党智敏教授合作提出了一种普适性策略，通过将有机分子半导体引入聚丙烯酸酯弹性体网络，成功实现了材料性能的飞跃。该设计同时赋予了材料高击穿强度、理想的模量和弹性以及巨大的电致驱动应变。优化后的弹性体能量密度高达169 J kg⁻¹，功率密度达到3000 W kg⁻¹，超越天然肌肉8倍，并优于所有已报道的介电弹性体材料。研究团队还展示了一款集成了电致发光功能的快速移动软体机器人，凸显了该材料的多功能应用潜力。相关论文以“Molecular Semiconductor-Induced Deep Trapping Enables Ultrahigh-Performance Dielectric Elastomers”为题，发表在

ACS Nano

在这项研究中，研究人员通过紫外光引发聚合，将半导体分子N-乙烯基咔唑与丙烯酸月桂酯单体及交联剂共聚，制备了一系列P(LA-VK)弹性体。通过傅里叶变换红外光谱和小角X射线散射等手段证实了VK单元成功接入聚合物主链，且形成了坚固的共价交联网络。力学性能测试表明，适量VK的引入不仅保持了材料的高断裂伸长率，还通过VK单元间的π-π堆积相互作用形成了动态物理交联点，显著降低了材料的机械滞后损耗，其滞后性能优于目前最先进的介电弹性体和水凝胶材料。密度泛函理论计算和变温红外光谱进一步证实了这种分子间相互作用的存在及其对温度响应的敏感性。

图1. 聚丙烯酸酯链的共聚改性弹性体实现了电活性变形的大幅增加。 (a) 介电弹性体执行器的驱动原理。 (b) 聚丙烯酸酯链共聚改性的分子设计。 (c) 名义电场 (Φ/H₀) 与面积拉伸比 (λₐ = Sₐ/S₀ = H/H₀) 的关系。宽红色曲线指的是弹性体的电击穿强度 Φₐ(λₐ)/H₀。 (d) 能带图显示了聚合物中可能的电荷转移。 (e) 分子陷阱机制示意图。陷阱能级可使用 φ꜀ = EAₛ - EAₚ 计算。 (f) 总结本工作与其他介电弹性体比能量和比功率的Ashby图。

图2. 弹性体的结构与力学性能。 (a) 弹性体制备过程示意图。 (b) PLA和P(LA-VK)弹性体的傅里叶变换红外光谱图。 (c) PLA和P(LA-VK4)薄膜的小角X射线散射谱图。 (d) 纯PLA和P(LA-VK4)弹性体的应力-应变曲线。 (e) PLA弹性体在100%应变下的循环拉伸曲线。 (f) P(LA-VK4)弹性体在100%应变下的循环拉伸曲线。 (g) P(LA-VK)弹性体中VK单元相互作用的示意图。 (h) P(LA-VK4)弹性体的滞后能与先前报道的弹性体和离子导体的比较。 (i) VK单元不同堆积模式的DFT计算结合能。 (j) P(LA-VK4)弹性体在748 cm⁻¹处峰位的温度依赖性。 (k) P(LA-VK4)在780-700 cm⁻¹区域的同步二维相关光谱图。 (l) P(LA-VK4)在780-700 cm⁻¹区域的异步二维相关光谱图。

研究深入探讨了VK单元对介电性能的影响。结果显示，所有P(LA-VK)弹性体在保持相近介电常数（约3.6）和极低介电损耗（<10⁻²）的同时，击穿强度显著提升。其中，P(LA-VK4)样品的击穿强度达到82.7 V μm⁻¹，比纯PLA提高了22%。泄漏电流测试和跳电导模型拟合表明，VK单元的引入有效抑制了电荷传输，降低了跳电距离。热刺激去极化电流测试和DFT计算共同揭示了其内在机制：VK单元具有比聚丙烯酸酯更高的电子亲和能，在聚合物中引入了更深的电子和空穴陷阱能级（电子陷阱深度0.59 eV，空穴陷阱深度1.18 eV），能够牢固地捕获激发和注入的高能电子，从而显著抑制泄漏电流，提升绝缘性能和击穿强度。

图3. 击穿行为与导电机制。 (a) 聚合物薄膜的威布尔曲线分析。 (b) 威布尔分布Eₐ（左y轴）和形状参数β（右y轴）与VK含量的关系。 (c) 弹性体薄膜的泄漏电流密度跳电导模型拟合。 (d) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的热刺激去极化电流曲线。 (e) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的陷阱能级和陷阱密度分布。 (f) PLA和P(LA-VK)的击穿机理示意图。 (g) PLA和P(LA-VK)的态密度图。 (h) 通过DFT计算的PLA和P(LA-VK)的能带结构。

得益于增强的击穿强度，P(LA-VK)弹性体在电致驱动测试中展现出卓越的性能。在无预拉伸条件下，P(LA-VK4)弹性体在27.0 V μm⁻¹的名义电场下实现了高达174%的面积应变，比纯PLA（119%）提高了47%。其输出力（0.38 N）也远超纯PLA（0.26 N），能够轻松举起自身重量145倍的物体（10克）。更重要的是，由于机械滞后小，P(LA-VK4)表现出优异的动态响应性能，达到90%最终面积应变仅需1.6秒，远快于商用VHB弹性体（75秒）。经过1000次循环测试后，该执行器仍能稳定工作，显示出良好的长期稳定性。

图4. 电致驱动行为。 (a) P(LA-VK4)薄膜制成的执行器在不同名义电场下的照片。比例尺为10 mm。 (b) 薄膜在不同名义电场下的电致驱动曲线。 (c) 名义电场与驱动面积拉伸比λₐ的关系。虚线表示电击穿区域。 (d) PLA和P(LA-VK4)执行器的力与位移关系。 (e) P(LA-VK4)执行器举起一个10克砝码的照片。比例尺为5 mm。 (f) P(LA-VK4)弹性体和有/无预拉伸的VHB在24 V μm⁻¹（名义电场）下的驱动面积应变随时间变化行为。 (g) 执行器可以推动一个玩具飞机。比例尺为20 mm。 (h) P(LA-VK4)薄膜制成的执行器的循环驱动测试（1000次）。

在能量密度和功率密度评估中，P(LA-VK4)弹性体在纯剪切模式下测试，表现出卓越的动态输出性能。在68克负载、5 Hz频率和8 kV电压下，实现了100%的线性驱动应变，创纪录地达到了3000 W kg⁻¹的高功率密度和169 J kg⁻¹的高能量密度。后者约为天然肌肉的8倍。研究还展示了通过将三个平面执行器并联，能够轻松举起一个1.2公斤的水桶，同时仍保持57%的线性驱动应变，证明了其输出能力可通过组合方式按比例放大。

图5. 能量密度和功率密度。 (a) 平面执行器示意图。 (b) 介电弹性体执行器在不同电压和5 Hz频率下的动态性能。外部负载为68克。 (c) P(LA-VK4)执行器在不同电场和负载下的比功率。 (d) P(LA-VK4)执行器在不同频率和负载下的比功率。插图：P(LA-VK4)纯剪切介电弹性体执行器在44.44 V μm⁻¹、68克负载和5 Hz条件下的线性驱动照片。比例尺为10 mm。 (e) P(LA-VK4)执行器在不同频率和负载下的比能量。 (f) 总结本工作与其他介电弹性体比功率与线性应变的Ashby图。 (g) 由三层P(LA-VK4)薄膜制备的介电弹性体执行器可以输出大力，举起一个1.2公斤的水桶。比例尺为20 mm。

基于P(LA-VK)弹性体的卓越性能，研究团队开发了一款兼具发光和运动功能的快速移动软体机器人。该机器人采用最小能量结构设计，集成了介电弹性体驱动层和电致发光层。在单一交变电场信号驱动下，机器人既能发光又能实现定向移动。在粗糙纸基板上，其最大移动速度可达3.03倍体长/秒，并能承受300%自重的负载攀爬35°斜坡。即使在遭受足部踩踏等巨大压力后，机器人也能快速恢复并继续移动，展示了其非凡的鲁棒性。

图6. 电致发光快速移动机器人的结构设计。 (a) 移动式交流电致发光机器人示意图。 (b) 移动软机器人的实物演示照片。比例尺为5 mm。 (c) 在纸张表面、固定电压7 kV下，机器人速度与驱动频率的关系。 (d) 软机器人在不同基底和不同电场条件下的移动速度。 (e) 软机器人在不同基底上的移动速度。 (f) 软机器人在纸张表面移动的照片。比例尺为10 mm。 (g) 软机器人承载重量并爬行。比例尺为10 mm。 (h) 软机器人在35°斜坡上攀爬。比例尺为10 mm。 (i) 抗暴力恢复能力展示。比例尺为10 mm。 (j) 初始和恢复后的移动速度。

综上所述，这项研究提出了一种将有机分子半导体引入介电弹性体网络设计的通用策略，通过构建电荷陷阱和分子间物理交联，同步实现了高击穿强度、理想模量、高弹性和低损耗，从而获得了创纪录的高能量和高功率密度。该工作不仅为开发下一代高性能人工肌肉提供了新的材料设计思路，其展示的兼具移动和发光功能的软体机器人也预示着在复杂、多功能软体机器人应用中巨大的潜力。