AFM：3D打印交叉型介电弹性体致动器

来源：EngineeringForLife

智能软致动器通常依靠相变材料、流体驱动或静电吸引等方式来实现特定的运动从而具有模仿生物系统的能力并兼具较高的效率。其中的介电弹性体致动器（DEAs）通过在两个电极之间的绝缘弹性体上施加电压所产生的静电力作为驱动力。由于相反电荷的吸引力减小了电场方向上的弹性体厚度，从而导致正交方向上的膨胀伸展。这种外部电场可以通过撤去施加在电极上的电压而快速施加和移除，因此DEAs表现出快速的驱动速率和较大的能量密度，使其在软机器人、智能医疗器械等领域展现了巨大的应用场景。

目前大多数DEAs是通过例如旋涂、顺序机械组装等平面方法制造，因此驱动时变形在平面内扩展，通过进一步加工这些平面结构可以转变制造微弯曲致动器、滚动致动器等等。但是，这些装置经常表现出受损循环和击穿现象并且可实现形状受限。相比之下，基于挤出式的墨水直写（DIW）3D打印方法能够以几乎任意的几何形状快速设计和制造软材料而被用来打印DEAs。

近期发表在Advanced Functional Materials杂志上题为3D Printing of Interdigitated Dielectric Elastomer Actuators的文章，来自哈佛大学的David R. Clarke和Jennifer A.Lewis团队开发优化了具有高打印保持性、合适流变性的导电弹性体油墨和自修复、可调力学性能的增塑介电基质。团队成员利用3D打印特定形状的垂直电极，并用自修复介电基质封装制造出不同类型的3D DEAs器件，其击穿场强为25V·m-1，驱动应变高达9%。

图1  打印并封装交叉型DEAs致动器策略

研究人员首先制备了以乙烯基醚基为末端的聚乙二醇乙二醇硫化物（PEG-PES）低聚物，然后将其与二硫醇扩链剂和三硫醇交联剂混合来生产化学交联弹性体。低分子量低聚物的这种同时扩链和交联的策略将它们在未固化状态下的流变性与最终固化后的性能分离。未固化粘度由低聚物的分子量决定，而固化弹性模量由交联之间的分子量决定(图2a)。最终通过调节双官能扩链剂与三官能交联剂的比例，PEG-PES弹性体表现出优异的极限拉伸性能、极大断裂伸长率和低塑性变形。另外，研究人员使用纳米炭黑既作为导电填料又作为流变改性剂加入上述PEG-PES低聚物溶液中制得最终的导电油墨进行基础打印，打印完成后放置于100℃固化几分钟。固化的电极具有0.49MPa的EY(图2d)和良好的循环稳定性，电导率约为6.5 S m-1。

图2  以纳米炭黑作为填料的聚乙二醇聚醚砜低聚物电极材料性质及循环拉伸下的模量、电导率

对于介电材料的设计，研究人员采用聚氨酯二丙烯酸酯(PUA)低聚物作为基体，其中含有低分子量双官能交联剂丁二醇二丙烯酸酯(BDDA)和增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP图3a)，并将打印完成的电极材料封装于介电基质中。DOP不仅降低了电介质基质的未固化粘度使其利于其填充在印刷电极之间，而且降低了固化电介质基质的机械损耗角正切(tan δ)(图3b)间接影响致动器的频率响应。另外，DOP还可以在电击穿后修复电介质基质而具有容错性。击穿事件发生后，DOP会从周围区域扩散，使器件恢复正常工作状态(图3c)。

图3  介电弹性体基质的改性设计

最后研究人员使用上述制得的电极材料和介电材料，利用DIW直写打印了交叉垂直电极并封装介电基质，用光学测量手段测量了面内收缩。理想的DEAs致动器应该具备小的弹性模量和较大的击穿场强（最大激励应变(sz)由sz = ε0εr(EEB)2/EY给出，其中EEB是介电基质的击穿场强。）。并且在打印大尺寸器件时，电极材料打印过程的稳定性尤为重要，任何局部的较薄电介质段缺陷都将降低击穿场强。对于该方法3D打印的DEAs致动器，随着电介质段的数量从3个增加到7个甚至15个，击穿场强保持在≈25V·μm-1，而激励应变分别从4.1%增加到5.8%到9.1%(图4d)。与电极材料的被动变形相比，驱动应变的增加是由介电基质主动变形所占据面积的增大引起。重要的是，这些装置在2000次循环中表现出一致的驱动(图4e，f)。并且如果使用多喷嘴的DIW直写可以以更快的速度打印DEAs致动器件（图5a，b），这些器件在几分钟内以2.5mm s-1的打印速度打印，相当于电极制造速度接近1cm 3min-1。同样，3D打印的方式使得在平面不同位置打印电极以在不同的方向形成特性的面内电场产生特定变形，例如旋转致动器（图5c，d）。

图4 DIW直写打印3D垂直交叉电极的DEAs及其驱动性能

图5  多喷嘴打印互穿电极DEAs及旋转致动器打印

总的来说，利用3D打印技术允许使用任意设计几何形状、高保真的全3D电极来制造特定DEAs致动器，辅助以电极材料和介电基质性能的优化，3D DEAs致动器可能会具有更强的驱动性能而在软体机器人、生物医学领域发挥巨大的作用。

表一  DEAs可扩展制造方法的比较

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907375