隨著軟體機器人技術(shù)的快速發(fā)展，對其核心驅(qū)動部件——介電彈性體執(zhí)行器的性能要求日益提高。傳統(tǒng)介電彈性體材料，如常用的VHB丙烯酸酯彈性體，受限于其固有特性，往往存在擊穿強度不足和機械損耗過高的問題，難以滿足先進機器人對高能量密度和高功率密度的嚴(yán)苛需求。如何通過提升介電擊穿強度來同時獲得大電致變形、高能量密度和高功率密度的介電彈性體，一直是該領(lǐng)域面臨的一項重大挑戰(zhàn)。

近日，寧夏大學(xué)冒杰副教授、清華大學(xué)黨智敏教授合作提出了一種普適性策略，通過將有機分子半導(dǎo)體引入聚丙烯酸酯彈性體網(wǎng)絡(luò)，成功實現(xiàn)了材料性能的飛躍。該設(shè)計同時賦予了材料高擊穿強度、理想的模量和彈性以及巨大的電致驅(qū)動應(yīng)變。優(yōu)化后的彈性體能量密度高達169 J kg?1，功率密度達到3000 W kg?1，超越天然肌肉8倍，并優(yōu)于所有已報道的介電彈性體材料。研究團隊還展示了一款集成了電致發(fā)光功能的快速移動軟體機器人，凸顯了該材料的多功能應(yīng)用潛力。相關(guān)論文以“Molecular Semiconductor-Induced Deep Trapping Enables Ultrahigh-Performance Dielectric Elastomers”為題，發(fā)表在

ACS Nano

在這項研究中，研究人員通過紫外光引發(fā)聚合，將半導(dǎo)體分子N-乙烯基咔唑與丙烯酸月桂酯單體及交聯(lián)劑共聚，制備了一系列P(LA-VK)彈性體。通過傅里葉變換紅外光譜和小角X射線散射等手段證實了VK單元成功接入聚合物主鏈，且形成了堅固的共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。力學(xué)性能測試表明，適量VK的引入不僅保持了材料的高斷裂伸長率，還通過VK單元間的π-π堆積相互作用形成了動態(tài)物理交聯(lián)點，顯著降低了材料的機械滯后損耗，其滯后性能優(yōu)于目前最先進的介電彈性體和水凝膠材料。密度泛函理論計算和變溫紅外光譜進一步證實了這種分子間相互作用的存在及其對溫度響應(yīng)的敏感性。

圖1. 聚丙烯酸酯鏈的共聚改性彈性體實現(xiàn)了電活性變形的大幅增加。 (a) 介電彈性體執(zhí)行器的驅(qū)動原理。 (b) 聚丙烯酸酯鏈共聚改性的分子設(shè)計。 (c) 名義電場 (Φ/H?) 與面積拉伸比 (λ? = S?/S? = H/H?) 的關(guān)系。寬紅色曲線指的是彈性體的電擊穿強度 Φ?(λ?)/H?。 (d) 能帶圖顯示了聚合物中可能的電荷轉(zhuǎn)移。 (e) 分子陷阱機制示意圖。陷阱能級可使用 φ? = EA? - EA? 計算。 (f) 總結(jié)本工作與其他介電彈性體比能量和比功率的Ashby圖。

圖2. 彈性體的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。 (a) 彈性體制備過程示意圖。 (b) PLA和P(LA-VK)彈性體的傅里葉變換紅外光譜圖。 (c) PLA和P(LA-VK4)薄膜的小角X射線散射譜圖。 (d) 純PLA和P(LA-VK4)彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (e) PLA彈性體在100%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸曲線。 (f) P(LA-VK4)彈性體在100%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸曲線。 (g) P(LA-VK)彈性體中VK單元相互作用的示意圖。 (h) P(LA-VK4)彈性體的滯后能與先前報道的彈性體和離子導(dǎo)體的比較。 (i) VK單元不同堆積模式的DFT計算結(jié)合能。 (j) P(LA-VK4)彈性體在748 cm?1處峰位的溫度依賴性。 (k) P(LA-VK4)在780-700 cm?1區(qū)域的同步二維相關(guān)光譜圖。 (l) P(LA-VK4)在780-700 cm?1區(qū)域的異步二維相關(guān)光譜圖。

研究深入探討了VK單元對介電性能的影響。結(jié)果顯示，所有P(LA-VK)彈性體在保持相近介電常數(shù)（約3.6）和極低介電損耗（<10?2）的同時，擊穿強度顯著提升。其中，P(LA-VK4)樣品的擊穿強度達到82.7 V μm?1，比純PLA提高了22%。泄漏電流測試和跳電導(dǎo)模型擬合表明，VK單元的引入有效抑制了電荷傳輸，降低了跳電距離。熱刺激去極化電流測試和DFT計算共同揭示了其內(nèi)在機制：VK單元具有比聚丙烯酸酯更高的電子親和能，在聚合物中引入了更深的電子和空穴陷阱能級（電子陷阱深度0.59 eV，空穴陷阱深度1.18 eV），能夠牢固地捕獲激發(fā)和注入的高能電子，從而顯著抑制泄漏電流，提升絕緣性能和擊穿強度。

圖3. 擊穿行為與導(dǎo)電機制。 (a) 聚合物薄膜的威布爾曲線分析。 (b) 威布爾分布E?（左y軸）和形狀參數(shù)β（右y軸）與VK含量的關(guān)系。 (c) 彈性體薄膜的泄漏電流密度跳電導(dǎo)模型擬合。 (d) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的熱刺激去極化電流曲線。 (e) PLA薄膜和P(LA-VK4)薄膜的陷阱能級和陷阱密度分布。 (f) PLA和P(LA-VK)的擊穿機理示意圖。 (g) PLA和P(LA-VK)的態(tài)密度圖。 (h) 通過DFT計算的PLA和P(LA-VK)的能帶結(jié)構(gòu)。

得益于增強的擊穿強度，P(LA-VK)彈性體在電致驅(qū)動測試中展現(xiàn)出卓越的性能。在無預(yù)拉伸條件下，P(LA-VK4)彈性體在27.0 V μm?1的名義電場下實現(xiàn)了高達174%的面積應(yīng)變，比純PLA（119%）提高了47%。其輸出力（0.38 N）也遠(yuǎn)超純PLA（0.26 N），能夠輕松舉起自身重量145倍的物體（10克）。更重要的是，由于機械滯后小，P(LA-VK4)表現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)性能，達到90%最終面積應(yīng)變僅需1.6秒，遠(yuǎn)快于商用VHB彈性體（75秒）。經(jīng)過1000次循環(huán)測試后，該執(zhí)行器仍能穩(wěn)定工作，顯示出良好的長期穩(wěn)定性。

圖4. 電致驅(qū)動行為。 (a) P(LA-VK4)薄膜制成的執(zhí)行器在不同名義電場下的照片。比例尺為10 mm。 (b) 薄膜在不同名義電場下的電致驅(qū)動曲線。 (c) 名義電場與驅(qū)動面積拉伸比λ?的關(guān)系。虛線表示電擊穿區(qū)域。 (d) PLA和P(LA-VK4)執(zhí)行器的力與位移關(guān)系。 (e) P(LA-VK4)執(zhí)行器舉起一個10克砝碼的照片。比例尺為5 mm。 (f) P(LA-VK4)彈性體和有/無預(yù)拉伸的VHB在24 V μm?1（名義電場）下的驅(qū)動面積應(yīng)變隨時間變化行為。 (g) 執(zhí)行器可以推動一個玩具飛機。比例尺為20 mm。 (h) P(LA-VK4)薄膜制成的執(zhí)行器的循環(huán)驅(qū)動測試（1000次）。

在能量密度和功率密度評估中，P(LA-VK4)彈性體在純剪切模式下測試，表現(xiàn)出卓越的動態(tài)輸出性能。在68克負(fù)載、5 Hz頻率和8 kV電壓下，實現(xiàn)了100%的線性驅(qū)動應(yīng)變，創(chuàng)紀(jì)錄地達到了3000 W kg?1的高功率密度和169 J kg?1的高能量密度。后者約為天然肌肉的8倍。研究還展示了通過將三個平面執(zhí)行器并聯(lián)，能夠輕松舉起一個1.2公斤的水桶，同時仍保持57%的線性驅(qū)動應(yīng)變，證明了其輸出能力可通過組合方式按比例放大。

圖5. 能量密度和功率密度。 (a) 平面執(zhí)行器示意圖。 (b) 介電彈性體執(zhí)行器在不同電壓和5 Hz頻率下的動態(tài)性能。外部負(fù)載為68克。 (c) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同電場和負(fù)載下的比功率。 (d) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同頻率和負(fù)載下的比功率。插圖：P(LA-VK4)純剪切介電彈性體執(zhí)行器在44.44 V μm?1、68克負(fù)載和5 Hz條件下的線性驅(qū)動照片。比例尺為10 mm。 (e) P(LA-VK4)執(zhí)行器在不同頻率和負(fù)載下的比能量。 (f) 總結(jié)本工作與其他介電彈性體比功率與線性應(yīng)變的Ashby圖。 (g) 由三層P(LA-VK4)薄膜制備的介電彈性體執(zhí)行器可以輸出大力，舉起一個1.2公斤的水桶。比例尺為20 mm。

基于P(LA-VK)彈性體的卓越性能，研究團隊開發(fā)了一款兼具發(fā)光和運動功能的快速移動軟體機器人。該機器人采用最小能量結(jié)構(gòu)設(shè)計，集成了介電彈性體驅(qū)動層和電致發(fā)光層。在單一交變電場信號驅(qū)動下，機器人既能發(fā)光又能實現(xiàn)定向移動。在粗糙紙基板上，其最大移動速度可達3.03倍體長/秒，并能承受300%自重的負(fù)載攀爬35°斜坡。即使在遭受足部踩踏等巨大壓力后，機器人也能快速恢復(fù)并繼續(xù)移動，展示了其非凡的魯棒性。

圖6. 電致發(fā)光快速移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (a) 移動式交流電致發(fā)光機器人示意圖。 (b) 移動軟機器人的實物演示照片。比例尺為5 mm。 (c) 在紙張表面、固定電壓7 kV下，機器人速度與驅(qū)動頻率的關(guān)系。 (d) 軟機器人在不同基底和不同電場條件下的移動速度。 (e) 軟機器人在不同基底上的移動速度。 (f) 軟機器人在紙張表面移動的照片。比例尺為10 mm。 (g) 軟機器人承載重量并爬行。比例尺為10 mm。 (h) 軟機器人在35°斜坡上攀爬。比例尺為10 mm。 (i) 抗暴力恢復(fù)能力展示。比例尺為10 mm。 (j) 初始和恢復(fù)后的移動速度。

綜上所述，這項研究提出了一種將有機分子半導(dǎo)體引入介電彈性體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的通用策略，通過構(gòu)建電荷陷阱和分子間物理交聯(lián)，同步實現(xiàn)了高擊穿強度、理想模量、高彈性和低損耗，從而獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的高能量和高功率密度。該工作不僅為開發(fā)下一代高性能人工肌肉提供了新的材料設(shè)計思路，其展示的兼具移動和發(fā)光功能的軟體機器人也預(yù)示著在復(fù)雜、多功能軟體機器人應(yīng)用中巨大的潛力。