一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.      

THEORETICAL NONLINEAR ANALYSIS OF A BIOMIMETIC TUNABLE LENS DRIVEN BY DIELECTRIC ELASTOMER 1)

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.     

具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.     

介电流变弹性体的电致变形与电流变效应研究

介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)具有显著的电致变形效应,刚度无法调控是制约其应用的关键瓶颈问题.本文将具有电致变模量特性的电流变弹性体(Electrorheological Elas-tomer,ERE)与商用介电弹性体VHB4910层叠复合,并涂覆柔性电板,制备介电流变弹性体(Dielec...     

电极面积对介电弹性体薄膜电致起皱影响的实验研究

介电弹性体(dielectric elastomers,DE)薄膜在其自身的应变能和外加电场能的相互作用下既能实现大的电致变形,也容易发生失稳起皱。对于单轴预拉伸的介电弹性体薄膜,电极的长度是决定其电致变形的重要参数,同时也可能是影响薄膜起皱的关键因素。为了确定以及量化该影响,本文实验测量了不同电极长度下薄膜的临界起皱电压。同时为了分析薄膜的褶皱特征,测量了不同电压下的褶皱波长。实验结果表明:电极宽度对介电弹性体薄膜的起皱有较大影响;随着电极长度逐渐增大,薄膜的临界起皱电压呈现出先快速减小,随后相对稳定,最后又逐渐升高的趋势。而其褶皱波长随电压升高逐渐减小。实验结果显示,褶皱分布在电极及电极附近,据此分析认为,薄膜的起皱是一种局部效应,电极区与非电极区的相互作用与能量传递对其有较大影响。实验中通过铜丝搭接的方式引出电极能有效解决电极引出线的附加刚度影响薄膜起皱的问题,可为相关实验提供技术参考。     

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形, 该变形会引起相应的功能, 这种材料称为活性软材料(soft active material, SAM). 本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料. 当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时, 薄膜厚度减小同时面积增大, 可导致超过100{\%}的应变. 介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用, 包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等. 本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论. 该理论耦合了大变形和电势, 描述了非线性和非平衡行为, 如力电失稳和黏弹性. 采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器, 计算力电能量转换的效率, 给出电致大变形的可行途径. 该理论有助于材料和器件设计.     

温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响（固体力学大会文章）

介电弹性体（Dielectric elastomer,简称DE）材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料。DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的。然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道。基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料（VHB 4910,3M）力电耦合变形的影响,结果表明：升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失效。然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果非常吻合。     

温度对介电弹性体材料力电耦合变形的影响

介电弹性体(Dielectric Elastomer,简称DE)材料是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料.DE材料具有非常宽的温度应用范围,这种宽的温度工作范围和快速大变形性能为各种柔性致动器结构提供了良好的基础,但作为一种粘弹性高分子材料,温度对其性能的影响也是非常明显的.然而到目前为止,所有关于DE材料驱动性能的研究仅局限于室温条件下,温度变化对DE材料力电耦合稳定性的影响几乎没有相关报道.基于此,通过实验研究了温度对最常用的DE材料(VHB 4910,3M)力电耦合变形的影响,结果表明:升高温度可以提高DE材料的力电耦合变形;温度越高,DE材料越容易发生力电耦合失稳.然后,从热力学和粘弹性力学出发,建立了考虑温度影响后的DE材料的粘弹性力电耦合模型,数值模拟理论结果和实验结果定性地吻合.     

基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动控制研究

为了降低单层平面DE作动器的控制电压,提出了一种层叠式平面DE作动器,并开展了基于层叠式平面DE作动器的柔性薄壁结构振动主动控制研究。结合介电弹性体(DE)材料的力电耦合模型,基于哈密顿变分原理,建立了含层叠式平面DE作动器的柔性悬臂梁系统振动控制微分方程。基于比例反馈控制策略,利用不同层数的层叠式平面DE作动器对悬臂梁系统进行了振动主动控制的仿真研究。结果表明,层叠式平面DE作动器对柔性薄壁结构具有良好的振动控制效果,同时相比于单层平面DE作动器,控制所需电压可以降低30%以上,从而为DE作动器的低电压驱动应用提供了一条可行的技术途径。     

介电弹性材料的机电耦合性能研究

作为一种新型的电活性聚合物,介电弹性材料可被用作柔性致动器。其中材料的介电性能和机械性能是影响其机电耦合致动性能的关键因素。通过实验方法研究了一种典型的介电弹性材料VHB4910在不同温度和频率下的介电常数和弹性模量,基于实验结果分析了该材料的机电耦合性能。结果表明:依赖于频率和温度的弹性模量是影响该介电弹性材料致动变形的主要因素,对致动性能的影响最大可达4个数量级,材料的介电常数对其致动性能的影响相对较小。     

软体机器人结构机理与驱动材料研究综述

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景. 智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能. 介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人. 从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人. 还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型. 介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.      

Two-dimensional equations for thin-films of ionic conductors

A theoretical model is developed for predicting both conduction and diffusion in thin-film ionic conductors or cables. With the linearized Poisson-Nernst-Planck (PNP) theory, the two-dimensional (2D) equations for thin ionic conductor films are obtained from the three-dimensional (3D) equations by power series expansions in the film thickness coordinate, retaining the lower-order equations. The thin-film equations for ionic conductors are combined with similar equations for one thin dielectric film to derive the 2D equations of thin sandwich films composed of a dielectric layer and two ionic conductor layers. A sandwich film in the literature, as an ionic cable, is analyzed as an example of the equations obtained in this paper. The numerical results show the effect of diffusion in addition to the conduction treated in the literature. The obtained theoretical model including both conduction and diffusion phenomena can be used to investigate the performance of ionic-conductor devices with any frequency.     

THEORY OF DIELECTRIC ELASTOMERS

In response to a stimulus, a soft material deforms, and the deformation provides a function. We call such a material a soft active material （SAM）. This review focuses on one class of soft active materials： dielectric elastomers. When a membrane of a dielectric elastomer is subject to a voltage through its thickness, the membrane reduces thickness and expands area, possibly straining over 100%. The dielectric elastomers are being developed as transducers for broad applications, including soft robots, adaptive optics, Braille displays, and electric generators. This paper reviews the theory of dielectric elastomers, developed within continuum mechanics and thermodynamics, and motivated by molecular pictures and empirical observations. The theory couples large deformation and electric potential, and describes nonlinear and nonequilibrium behavior, such as electromechanical instability and viscoelasticity. The theory enables the finite element method to simulate transducers of realistic configurations, predicts the efficiency of electromechanical energy conversion, and suggests alternative routes to achieve giant voltage-induced deformation. It is hoped that the theory will aid in the creation of materials and devices.     

软体智能机器人的系统设计与力学建模

机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.      

Temporal evolution and instability in a viscoelastic dielectric elastomer

Dielectric elastomer transducers are being developed for applications in stretchable electronics, tunable optics, biomedical devices, and soft machines. These transducers exhibit highly nonlinear electromechanical behavior: a dielectric membrane under voltage can form wrinkles, undergo snap-through instability, and suffer electrical breakdown. We investigate temporal evolution and instability by conducting a large set of experiments under various prestretches and loading rates, and by developing a model that allows viscoelastic instability. We use the model to classify types of instability, and map the experimental observations according to prestretches and loading rates. The model describes the entire set of experimental observations. A new type of instability is discovered, which we call wrinkle-to-wrinkle transition. A flat membrane at a critical voltage forms wrinkles and then, at a second critical voltage, snaps into another state of winkles of a shorter wavelength. This study demonstrates that viscoelasticity is essential to the understanding of temporal evolution and instability of dielectric elastomers.     

A new type of Maxwell stress in soft materials due to quantum mechanical-elasticity coupling

All dielectrics deform when subjected to an electric field. This behavior is attributed to the so-called Maxwell stress and the origins of this phenomenon can be traced to geometric deformation nonlinearities. In particular, the deformation is large when the dielectric is elastically soft (e.g. elastomer) and negligible for most “hard” materials. In this work, we develop a theoretical framework which shows that a striking analog of the electrostatic Maxwell stress also exists in the context of quantum mechanical-elasticity coupling. The newly derived quantum-elastic Maxwell stress is found to be significant for soft nanoscale structures (such as the DNA) and underscores a fresh perspective on the mechanics and physics of polarons. We discuss potential applications of the concept for soft nano-actuators and sensors and the relevance for the interpretation of opto-electronic properties.     

Nonlinear oscillations of electrically driven aniso-visco-hyperelastic dielectric elastomer minimum energy structures

Nonlinear Dynamics - In view of their unique shape morphing behaviour, dielectric elastomer-based minimum energy structures (DEMES) have received an increasing attention in the technology of...