Aandrijvers van diëlektrisch elastomeer (DEA's) kunnen grote, omkeerbare vervormingen in het vlak ondergaan. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , Junhong Pu en een team van wetenschappers in onderzoek naar zachte materialen en polymeerwetenschap aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, VS, en Sichuan University, China, introduceerden een elektroforetisch proces om boornitride-nanobladdispersie in een diëlektrische elastomeerprecursoroplossing te concentreren op een geselecteerde elektrodeoppervlak. Het team verkreeg een unimorf nanocomposiet diëlektrisch elastomeer afgekort UNDE met een naadloze dubbellaagse structuur die 13 keer het modulusverschil bevat. Het team zou het UNDE-construct kunnen activeren tot grote buigkrommingen met verbeterde duurzaamheid in vergelijking met conventionele nanocomposiet diëlektrische elastomeren. Ze rangschikten meerdere UNDE-eenheden in een eenvoudig elektroforetisch concentratieproces met behulp van patroonvormige elektrodegebieden; vervolgens ontwikkelden ze met behulp van de actuator een snelle lensmotor met variabele brandpuntsafstand om een ​​optisch systeem met twee lenzen te vormen.

Unimorph nanocomposiet diëlektrische elastomeren (UNDE)

Diëlektrische elastomeren zijn een klasse van elektroactieve polymeren die elektromechanische energie kunnen omzetten via een elektrostatisch spanningsmechanisme, in reactie op een aangelegde spanning. De materialen worden gekenmerkt door hun grote belasting en hoge energiedichtheid en hebben het afgelopen decennium enorm veel belangstelling gewekt voor toepassingen als kunstmatige spieren en zachte robotica. Acrylelastomeren zijn interessant vanwege de grootste aandrijvingsbelasting die ze vertonen en de voorrekprocedure die bij de fabricage betrokken is. Materiaalwetenschappers proberen het voorrekproces met acrylelastomeren te vermijden door een tweede interpenetrerend polymeernetwerk en chemische modificatie te introduceren om grote activeringsspanningen te bereiken zonder voorrek. In dit werk, Pu et al. introduceerde een elektroforetische benadering gevolgd door in situ crosslinking om een ​​interface-vrij unimorf nanocomposiet diëlektrisch elastomeer te fabriceren gemaakt van lokaal geconcentreerde boornitride nanosheets (BNNS). Het team gebruikte het elektroforetische proces om meerdere functionele unimorfe eenheden te produceren in een schijfvormige monolithische DEA-film door middel van aangepaste elektrodepatronen. Ze varieerden de activeringsbelasting met aangelegde spanning zonder materiaaldegradatie en de compacte actuator produceerde een grote lineaire activering voor gebruik als een direct-drive lensmotor, voor optische zoomsystemen.

Pu et al. ontwikkelde de UNDE (Unimorph nanocomposite diëlektrische elastomeer) films met sterk geconcentreerde BNNS (boriumnitride nanosheets) op één oppervlak via elektroforese. De boornitride nanosheets worden vaak gebruikt als een diëlektrische vulstof om de diëlektrische sterkte te verbeteren en kunnen worden gedispergeerd in een diëlektrisch elastomeer om een ​​colloïdale suspensie te vormen. Het team injecteerde de dispersie tussen twee parallelle elektroden met daartussen een gelijkstroomveld. Omdat de BNNS negatief geladen was, werden de materialen aangetrokken door het oppervlak van de positieve elektrode. Het team genas de voorloper via blootstelling aan ultraviolet en vormde een continue dubbellaagse structuur. Ze brachten het proces in beeld met behulp van een lichtstraal die tijdens elektroforese door de cuvettekamer ging. Na het ontwikkelen van de UNDE-structuur, hebben Pu et al. gebruikte scanning-elektronenmicroscopiebeelden om de kenmerken van conventionele nanocomposiet diëlektrische elastomeren als controlemateriaal te observeren, en de UNDE met 3 procent BNNS in zijn samenstelling. Het team merkte kleinere buigkrommingen op voor de UNDE-film met BNNS geconcentreerd op de bovenste laag, vergeleken met de onderste laag. Het werk duidde op een hogere stijfheid voor BNNS-geconcentreerde lagen in vergelijking met die met verarmde concentraties. De wetenschappers onderzochten de geoptimaliseerde materialen om bindingsactivering te verkrijgen door een hoge spanning over de UNDE-film aan te leggen. Na het aanleggen van een elektrisch veld ondervonden de twee lagen van het construct uniforme drukspanningen onder cycli van buigen en herstellen.

Aansturing van UNDE (unimorph nanocomposite diëlektrisch elastomeer) actuatoren

Het onderzoeksteam analyseerde de bindende activering van 3 procent gewicht UNDE, gevormd in een trapezium en merkte op hoe de diëlektrische elastomeeractuatoren functioneerden in een unidirectionele bindende manier ten opzichte van de aangelegde elektrische velden over de dikte ervan. Bij een veldintensiteit van 28 MV/m verkreeg het team bijvoorbeeld een bindingskromming van 4,4 cm ^-1 om een ​​bijna gesloten lusstructuur te creëren. Ze merkten de specifieke afhankelijkheid van bindingskromming van de elektrische veldintensiteit op, waar UNDE met hogere boornitride-nanobladconcentraties een hogere elektrische veldsterkte vereiste om dezelfde buigkromming te bereiken, vanwege de verhoogde stijfheid. Het team voorzag de activerings- en herstelprocessen van een exponentiële respons en schreef de snelle respons van de buigende diëlektrische elastomeeractuators toe aan de directe energieconversie van elektriciteit naar mechanisch werk. De bindingskromming duidde op een wisselwerking tussen grote buigkromming en hoge werkfrequentie. De interface-vrije aard tussen de passieve boornitride-nanobladen en de actieve diëlektrische elastomeerlaag bood de UNDE-actuators niet-destructieve bindingsprestaties na 180 graden vouwen.

Toepassingen van de actuatoren van diëlektrisch elastomeer

Het team nam het UNDE-fabricageproces over om meerdere individueel toegankelijke unimorfen te vormen in een monolithische film. Pu et al. gebruikte schijfvormige diëlektrische elastomeer-actuators als een op zichzelf staande motorlens om een ​​optisch element direct te herpositioneren en de brandpuntsafstand van een compact en adaptief zoomlenssysteem over een breed bereik te veranderen. Met behulp van het zoomsysteem met twee lenzen vergrootten ze de afstand tussen de twee lenzen om de afstand tot de brandpuntsafstand van het systeem te verkleinen en de projectie van objecten van ver naar dichtbij op hetzelfde vlak te vergemakkelijken. Vergeleken met afstembare vloeistoflenstechnologie, bereikte het lineaire, door een actuator aangedreven optische zoomsysteem een ​​groter vermogen om de brandpuntsafstand af te stemmen, wat wenselijk is voor endoscopen, smartphonecamera's, virtual reality en machine vision.

Op deze manier ontwikkelden Junhong Pu en collega's een nieuwe methode om unimorfe configuraties te implementeren in een monolithische diëlektrische elastomeerfilm door middel van elektroforese. De methode vergemakkelijkte de concentratie van boornitride nanosheet (BNNS) nanofillers in monomeren om een ​​interface-vrij unimorf nanocomposiet diëlektrisch elastomeer (UNDE) te vormen. Het team creëerde tijdens het onderzoek verschillende UNDE-eenheden door BNNS-concentraties aan oppervlakten toe te wijzen. De resulterende lineaire diëlektrische elastomeeractuators kunnen worden geoptimaliseerd als veelbelovende materialen voor kunstmatige robotvisie vanwege hun aanpasbare en schaalbare aard. + Verder verkennen

Kunstmatige spier voor zachte robotica:laag voltage, hoge verwachtingen

© 2022 Science X Network