布里斯托大学AFM：电场驱动的介电泳弹性体致动器

kongxy 1年前 (2023-02-06) 1370浏览

当介电体被放置于一个不均匀电场中时，该介电体会被极化并沿着电场的强度分布梯度方向移动，这种现象被称作介电泳。介电泳已被广泛用于操控微液滴或微颗粒，但很少有研究关注介电泳对大体积弹性体的操控。相对比，利用静电力的介电弹性体致动器是通过电极的移动或变形来实现驱动过程，弹性体的移动范围受限。虽然磁性致动器不需要被操控物体与导磁体的接触，有响应速度快，移动灵活度高等优点，但是需要产生足够强的磁场才能进行操控，因此磁控设备往往体积巨大且耗电大。如果能利用介电泳作为驱动力，则既能实现较高的自由度又不需要复杂的控制设备和高能耗。最近，来自布里斯托大学的研究者们研发了一种以介电泳为驱动力的的弹性体致动器。此致动器在一个不均匀电场的作用下实现了面外驱动，并展示出在气泵、光学透镜、机器人领域中的应用前景。

该工作以“Electric Field-driven Dielectrophoretic Elastomer Actuators”为题发表在“Advanced Functional Materials”杂志上。文章的通讯作者是布里斯托大学的Jonathan Rossiter教授和帝国理工学院的Majid Taghavi博士。第一作者是布里斯托大学博士生徐慈群。

研究者首先通过均匀电场与不均匀电场的驱动效果对比，证明了利用介电泳驱动柔性弹性体的可行性。随后设计了一种简易的介电泳致动器（图1），一个圆柱形电极置于上方，一个环形电极置于下方，而介电泳弹性体置于环形电极上，需要注意的是上方电极并没有与弹性体接触。当电压启动后，由于电极的独特结构，在弹性体周围形成了一个不均匀电场，弹性体被极化，随后受到介电泳的驱动，朝着强电场强度梯度方向形变。介电泳驱动对弹性体材料提出了三点要求：可被极化，高电场击穿强度，低杨氏模量。对此研究者针对介电泳弹性体的电学性能和机械性能展开了详细研究（图2）。此外，研究者结合实验探究与电场模拟讨论了电极的尺寸对驱动性能的影响（图3）。基于以上研究结果，研究者利用介电泳弹性体致动器开发了多种应用，包括气泵，可调焦距的光学透镜，行走机器人。