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用于电动致动器和传感器的离子弹性体丨Engineering

时间：2022-11-06 来源： 浏览：

用于电动致动器和传感器的离子弹性体丨Engineering

原创 Chenrun Feng 等 Engineering
Engineering

engineering2015

《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。

收录于合集

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第5期，原文出自：Ionic Elastomers for Electric Actuators and Sensors

引言

在过去的几十年里，离子导电高分子和弹性体因其在电池、电活性柔性机器人和传感器领域中发挥了自身独特的优势而引起了全世界的关注。研究人员正在研究将具有分散体结构的可拉伸离子弹性体（如离子液体）应用于柔性传感器（如可穿戴设备）中。人们已经对基于离子弹性体的应变、压力和剪切传感器进行了大量的研究，但是到目前为止，此类研究还没有综述文章。美国肯特州立大学的Antal Jákli等研究人员总结了工业级离子弹性体致动器和传感器的材料及性能。他们首先综述了三类离子弹性体致动器，即离子聚合物金属复合材料、离子导电聚合物和离子聚合物/碳纳米复合材料，并对未来的致动器进行了展望，如自适应四维（4D）印刷系统和离子液晶弹性体（iLCE）。然后，综述了离子弹性体应变和压力传感器的现状，并讨论了用于生物力学和运动行为跟踪的未来可穿戴式应变传感器。最后，介绍了于挠曲电信号的iLCE传感器的初步结果，并将其与有机电化学晶体管集成来达到放大的效果。

致动器和传感器可将一种形式的能量转换成另一种形式的能量，这种能量包括机械能、热能、电能、光能或磁能。 刺激响应性材料（即通过刺激可改变形状或大小）可用于传感器和致动器，这些刺激可以是电场、磁场、热、压力、酸碱度和光。上述所有能量形式由于可以优先转换成电信号，因此可由计算控制设备进行操作和处
理。
在研究中， 美国肯特州立大学的Antal Jákli等研究人员将集中探讨将电信号转换成机械响应（即应变、压力）的电动执行机构和将机械信号（即应变、压力）转换成可测量的电信号（即电流、电压、电阻或电容）的传感器。 具体来说，他们将集中探讨具有低杨氏模量和高失效应变（软弹性）的橡胶状聚合物（弹性体），这些聚合物具有可逆变形的特性。另外， 他们还将重点介绍液晶弹性体（LCE）的最新结果 ，例如，LCE将液晶（LC）的取向与聚合物网络的软弹性相结合；LCE可在不同的外部刺激下变形，如光、热和电场。
基于介电弹性体、铁电聚合物和LCE的电绝缘机电传感器，因重量轻、制造简单、价格低和高耐腐蚀性而有望用于柔性机器人领域中，但其需要高压电场（每毫米数千伏）才能实现大规模驱动。
由弹性体和离子组合而成的材料可用于人体运动监测、柔性机器人、健康监测、假肢和智能服装的柔性/可穿戴传感器和致动器。在导电电极和电解质领域中，人们已对聚合物离子导体进行了多年的研究，可使聚合物离子导体器件由可移动的离子和电子构成。近年来离电子器件对高导电性离子弹性体的大量需求催生了大量可选择的材料种类，如光/热交联离子导电弹性体和不同尺寸的有机/无机离子。
离子电活性聚合物（iEAP）和弹性体（iEAE）利用离子传输促进了低电压操作和高响应信号的机电耦合，并因其在电池、柔性机器人和传感器领域中的优势而引起了广泛关注。 在施加的局部电场中或由于弯曲变形而具有不同尺寸的负离子和正离子在相反方向上的运动可产生用于能量收集的电容或将电能转换成机械变形。人们已在自然弹性体系统中发现这种机电耦合机制，如电鳗和鱿鱼的神经肌肉活动，它们将形状变形转化为电信号，反之，它们能够使用电信号驱动肌肉收缩。 美 国肯特州立大学的 Antal Jákli 等研究人员 将从自然系统中学到的知识应用于柔性机器人、皮肤传感器和人工智能技术中 （图1）。

图1.  生物启发的传感器。（a）人类皮肤和中脊；（b）皮肤通过压电通道将离子压入梅克尔细胞从而感知压力的过程（ P 1 和 P 2 是被两种不同量级的压力激活的两点）；（c）具有对弯曲压力敏感的离子通道的生物细胞图示（左）和生物激发压力传感器图示（右）。

熔点低于室温的盐[称为离子液体（IL）]，通常由一种大体积的有机阳离子和一种较小的无机/有机阴离子组成，这种盐是iEAE的离子成分，其具有高导电性、低毒性、宽电化学窗口、高光学透明度、低挥发性、高热稳定性和良好的电化学稳定性，这些特性使IL适用于电化学传感器、能源装置和致动器等许多应用。此外，其 对皮肤和眼睛无刺激性，无致敏性，无致突变性。 研究者可以通过改变阳离子和阴离子的组合，在一定程度上调节上述性质。弹性体与三维（3D）打印技术兼容，能够用于创建微/纳米结构，具有自修复能力，甚至可以自供电，从而为先进的机器人和传感器技术提供更大的灵活性。
美国肯特州立大学的Chenrun Feng等研究人员综述了离子弹性体作为传感器和致动器的最新进展。对近期结果的总结和对前景的讨论清楚地表明， 未来的致动器和传感器不仅必须协同工作，而且还必须通过根据过去的致动和传感技术改变其特性实现自适应。 这些复杂系统需要能在更长的时间尺度上发挥作用，甚至能实现自修复。

关键词： 柔性机器人； 离子电活性弹性体； 离子弹性体传感器； 可编程变形； 液晶弹性体

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.02.014

以上内容来自：Chenrun Feng, C.P. Hemantha Rajapaksha, Antal Jákli. Ionic Elastomers for Electric Actuators and Sensors [J]. Engineering, 2021, 7(5): 581-602.

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