介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)展

郭闖強(qiáng)，吳春亞，鄒　添，張子健，劉　宏

(機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150080哈爾濱)

?

介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)展

郭闖強(qiáng)，吳春亞，鄒添，張子健，劉宏

(機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150080哈爾濱)

摘要:簡(jiǎn)要介紹介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器的基本原理、結(jié)構(gòu)組成及其在機(jī)器人中的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析介電彈性材料性能的理論研究進(jìn)展，包括材料特性、本構(gòu)理論、失效模式及穩(wěn)定性等．總結(jié)介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器對(duì)柔性電極性能的要求，并對(duì)柔性電極工藝特性進(jìn)行具體分析，深入探討介電彈性驅(qū)動(dòng)器目前所面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)介電彈性材料驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望．

關(guān)鍵詞:機(jī)器人;介電彈性材料;驅(qū)動(dòng)器;人工肌肉;柔性電極

從空間機(jī)器人到醫(yī)療機(jī)器人，都要求驅(qū)動(dòng)和組件具有簡(jiǎn)單、魯棒、輕質(zhì)、價(jià)廉和容易控制等優(yōu)點(diǎn)．長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員多致力于金屬、陶瓷等“硬質(zhì)材料”的應(yīng)用研究;然而，自然界中動(dòng)、植物的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力源通常是“軟質(zhì)材料”．在人類制造出的“軟質(zhì)材料”當(dāng)中，高分子聚合物是其中典型的代表［1］．軟質(zhì)材料能夠在外部機(jī)械力、電磁力、熱應(yīng)力和化學(xué)反應(yīng)等的作用下產(chǎn)生一定程度的變形而體現(xiàn)出活性．這些能夠?qū)ν獠凯h(huán)境的刺激進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐袛嗪晚憫?yīng)，并具備執(zhí)行能力的軟質(zhì)材料稱為軟質(zhì)智能材料．與傳統(tǒng)硬質(zhì)智能材料相比，軟質(zhì)智能材料具有承受變形更大、生物親和性更好等特點(diǎn)，且質(zhì)量輕，成本低．由于軟質(zhì)智能材料的變形能力和驅(qū)動(dòng)力接近于生物肌肉，在智能機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒕哂蟹浅V闊的應(yīng)用前景．作為新型軟質(zhì)智能材料的典型代表，電活性聚合物(electroactive polymer EAP)逐漸顯現(xiàn)出其與生俱來(lái)的優(yōu)越性［2］．介電彈性材料(dielectric elastomer DE)是EAP材料的典型代表，該材料能夠在外部電場(chǎng)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生大幅度形狀變化［3］．與壓電陶瓷(piezoelectricity PE)、形狀記憶合金(shape memory alloy SMA)等傳統(tǒng)硬質(zhì)功能材料相比，DE材料具有變形大(最大面積應(yīng)變可達(dá)380%)、響應(yīng)迅速(微秒級(jí))、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高(最高達(dá)90%)、功耗小(mW級(jí)別)、質(zhì)量輕、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)信息如表1所示．DE材料逐漸成為柔體機(jī)械和軟物質(zhì)科學(xué)等世界前沿科學(xué)與技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域中備受高度關(guān)注的研究對(duì)象，該材料對(duì)傳統(tǒng)機(jī)、電驅(qū)動(dòng)方式所帶來(lái)的革命性的意義及其自身所蘊(yùn)藏的巨大發(fā)展?jié)摿?，受到《Science》等國(guó)內(nèi)外著名科學(xué)期刊的廣泛關(guān)注，并得到了大量積極評(píng)價(jià)［4－5］．該材料在柔性機(jī)器人［6］、自適應(yīng)光學(xué)、球囊導(dǎo)管、盲文顯示和能量收集等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景．

本文首先概述了介電彈性驅(qū)動(dòng)器的基本原理、主要結(jié)構(gòu)形式以及在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀;然后，重點(diǎn)分析了DE材料的理論研究進(jìn)展，包括超大變形理論，預(yù)拉伸、溫度、電壓、電壓頻率對(duì)DE材料的影響，失效理論等，并介紹了DE驅(qū)動(dòng)器柔性電極的研究進(jìn)展;最后，對(duì)DE驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望．

表1　DE與傳統(tǒng)功能材料的性能比較

1　DE驅(qū)動(dòng)器的基本原理

以DE材料為基礎(chǔ)制作的驅(qū)動(dòng)器，通常是在DE材料上下表面均勻涂上柔性電極構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示．當(dāng)在DE材料兩側(cè)電極施加了電壓U和在x、y、z方向分別施加預(yù)應(yīng)力Fx、Fy、Fz后，DE材料的兩個(gè)表面由于極化效應(yīng)分別積累了正、負(fù)電荷，正電荷和負(fù)電荷之間將相互吸引產(chǎn)生靜電庫(kù)侖力．因?yàn)镈E材料具有保持恒定體積的特性，在厚度方向上受力壓縮的同時(shí)平面面積將出現(xiàn)擴(kuò)張，因此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力．如果單方向施加預(yù)應(yīng)力，則面積擴(kuò)展趨向于預(yù)應(yīng)力方向．

根據(jù)Maxwell應(yīng)力原理，DE材料在z方向受到擠壓，其在z方向受到的應(yīng)力可以表述為

圖1　DE材料電致變形工作原理

式中: Fz為z方向所受應(yīng)力，ε1為相對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，E為施加的電場(chǎng)，V為施加的電壓，h為聚合物薄膜厚度．從式(1)中可以看出，要想加大z方向的壓縮量而得到其他方向的擴(kuò)張量，則需要盡可能地增大施加電壓值，而z方向的最大壓縮量受機(jī)械強(qiáng)度限制而不能無(wú)限制增大;因此，需要多層疊加結(jié)構(gòu)來(lái)提高驅(qū)動(dòng)力或擴(kuò)大變形范圍．

2　DE驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

DE驅(qū)動(dòng)器彈性模量小，能量密度大，質(zhì)量輕，成本低，變形范圍大和輸出力大，擁有較為廣闊的應(yīng)用前景，主要包括泵和閥門(mén)［7］、盲文計(jì)算機(jī)交互［8－9］、可穿戴硬件和生理傳感器［10］、智能表面或皮膚［8］、仿生［11－12］、虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺(jué)交互［13－14］、擴(kuò)聲器［15］、柔性可充氣太空反鏡［16］、MEMS、移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)械臂［17－18］等應(yīng)用領(lǐng)域．

目前，DE驅(qū)動(dòng)器主要有菱形、卷軸型、平面纖維、堆疊、螺旋、錐形、平面多段等結(jié)構(gòu)形式，表2詳細(xì)對(duì)比分析了這些結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，其中卷軸結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，且輸出最大力達(dá)到15 N，從而展現(xiàn)出DE驅(qū)動(dòng)器的巨大應(yīng)用潛力．

表2　典型DE驅(qū)動(dòng)器及特點(diǎn)

2．1 DE驅(qū)動(dòng)器在類人機(jī)器人中的應(yīng)用

介電彈性體的可塑性、可控制性以及被動(dòng)柔順等特性，逐漸在人造假肢和類人機(jī)器人的快速發(fā)展中顯現(xiàn)出推動(dòng)作用．如圖2所示，美國(guó)漢森機(jī)器人技術(shù)公司于2005年11月在韓國(guó)釜山APEC最高首腦會(huì)議上展示了DE材料在類人面部表情控制領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，它能夠模仿愛(ài)因斯坦的面部表情，表現(xiàn)出喜、怒、哀、樂(lè)等豐富的情緒，從而引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［25］．人們?cè)O(shè)計(jì)研制各種類型的機(jī)器人都是希望它們具備一定的力、位輸出能力，從而能夠完成某些操作工作．圖3給出的是基于介電彈性體驅(qū)動(dòng)的人工肌肉手臂，它與17歲女學(xué)生進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)26 s的掰手腕比賽，顯示出介電彈性體在人工肌肉、仿生領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，這是一個(gè)重要的里程碑［26］．

圖2　基于介電彈性體的面部表情驅(qū)動(dòng)［25］

圖3　基于介電彈性體的人工肌肉手臂［26］

2．2 DE驅(qū)動(dòng)器在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用

獲得與生物體性能相媲美的仿生機(jī)器人是研究人員不懈追求的終極目標(biāo)．自然界生物體的肌肉除了能夠提供動(dòng)力之外，還能夠起到重要的支撐作用，并且它的剛度和硬度具有無(wú)級(jí)變化的特點(diǎn)．為達(dá)到理想的仿生學(xué)性能，研究人員期望所采用的驅(qū)動(dòng)方式能夠擁有生物體肌肉的重要特征，包括驅(qū)動(dòng)方式、出力大小、反應(yīng)速度和工作效率等方面．具有“人工肌肉”之稱的DE材料已經(jīng)在仿生機(jī)器人領(lǐng)域得到初步應(yīng)用．

圖4是類昆蟲(chóng)爬行機(jī)器人［20］，其動(dòng)力來(lái)源于DE材料制成的卷型驅(qū)動(dòng)器．圖4(a)中機(jī)器人的每個(gè)“腿”，采用了2個(gè)僅能夠?qū)崿F(xiàn)沿著軸線方向伸縮運(yùn)動(dòng)的單自由度驅(qū)動(dòng)器，共用了12個(gè)驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器人運(yùn)行速度為3．5 cm/s;圖4(b)采用6個(gè)同樣的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度達(dá)到7 cm/s;圖4(c)采用了6個(gè)2自由度卷型驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)行速度達(dá)到了13．6 cm/s［27］．

圖4　基于DE材料的仿生機(jī)器人［27］

上述卷形驅(qū)動(dòng)器主要由柔性支架、DE材料薄膜(被動(dòng)薄膜)和柔性電極(主動(dòng)薄膜)等3大部分構(gòu)成．首先，通過(guò)支架對(duì)被動(dòng)薄膜施加一定的預(yù)緊力，并且在它的兩個(gè)平面上印制特定圖案的主動(dòng)薄膜;然后，在維持預(yù)緊力的條件下將其卷在柔性支架上并加以固定，從而完成驅(qū)動(dòng)器的制作．通過(guò)設(shè)計(jì)主動(dòng)薄膜圖案，卷形驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)不同自由度配置，圖5給出了3自由度4相卷形驅(qū)動(dòng)器的制作過(guò)程［27］．柔性支架在驅(qū)動(dòng)器中起到支撐作用，是驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同可分為彈簧式、樞軸式和脊柱式等，分別如圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)所示．彈簧式具有軸向伸縮和側(cè)向彎曲的能力，但彎曲的角度有限;樞軸式和脊柱式只能夠彎曲，但由于支架之間距離較大，因此能夠彎曲很大的角度(達(dá)到270°，見(jiàn)圖7)，其中樞軸式能夠向各個(gè)方向彎曲，脊柱式雖然只能夠單方向彎曲但是制作要比樞軸式容易．

圖5　卷形驅(qū)動(dòng)器的制作過(guò)程［27］

圖6　柔性支架的結(jié)構(gòu)形式［27］

圖7　樞軸結(jié)構(gòu)支架驅(qū)動(dòng)器［27］

2．3 DE驅(qū)動(dòng)器在飛行機(jī)器人中的應(yīng)用

DE材料所固有的重量輕和柔性好等優(yōu)點(diǎn)使其在航空、航天等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用前景．國(guó)內(nèi)外主要的航空航天研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)積極開(kāi)展了DE驅(qū)動(dòng)器在飛行機(jī)器人中應(yīng)用的探索研究，并取得一系列研究成果．

圖8(a)給出了Jun［28］等設(shè)計(jì)的一種基于DE材料的雙向驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，并通過(guò)在支架中設(shè)計(jì)柔性鉸鏈?zhǔn)蛊渚哂姓郫B的能力．該驅(qū)動(dòng)器外圍尺寸為70 mm× 130 mm，已經(jīng)用于翼展為400 mm、質(zhì)量130 g飛機(jī)模型的副翼，并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，如圖8(b)所示．

如圖9(a)所示，瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試研究實(shí)驗(yàn)室于2007年研制出基于DE材料制作的飛艇舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并能夠?qū)崿F(xiàn)飛艇轉(zhuǎn)向的自由控制［29］;從2002年開(kāi)始，美國(guó)俄亥俄航天局開(kāi)始了新概念飛行器——固態(tài)飛行器SSA的研究［25］，該飛行器的模型如圖9(b)所示，采用DE材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并由柔性太陽(yáng)能薄膜提供動(dòng)力．

2．4 DE驅(qū)動(dòng)器在空間機(jī)器人中的應(yīng)用

隨著人類發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的大幅度增加，空間運(yùn)行軌道變得越發(fā)擁擠，移除廢棄衛(wèi)星等空間碎片的任務(wù)日益緊迫．由于這些非合作目標(biāo)沒(méi)有設(shè)計(jì)對(duì)接接口，急需一種通用性強(qiáng)、質(zhì)量輕便、可重復(fù)利用的軟捕獲系統(tǒng)．對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析可發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能帆板、通訊天線等是衛(wèi)星表面必備的大型功能部件，通過(guò)桿件結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星本體相連接，且連接處的尺寸遠(yuǎn)小于部件本體的尺寸．如果能夠開(kāi)發(fā)出在3維空間內(nèi)自由彎曲變形的機(jī)器人，將連接桿件纏繞、固定，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的捕獲，且不需要機(jī)器人本體精確的位姿控制，通用性強(qiáng)、可反復(fù)使用．因此，基于軟體機(jī)器人的空間目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)具有較大應(yīng)用前景，吸引了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注．

圖8　DE雙向可折疊驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用的輕型飛機(jī)［28］

圖9　基于電活性聚合物的飛艇舵［29］和固態(tài)飛行器［25］

瑞士宇航中心與研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)了一種碎片清理衛(wèi)星——CleanSpace One．該衛(wèi)星采用了一種基于DE材料的多段柔性輕質(zhì)捕獲機(jī)構(gòu)，該捕獲機(jī)構(gòu)可以抓取小的衛(wèi)星或碎片而不產(chǎn)生新的太空垃圾，具有質(zhì)量較輕，可折疊，占用空間較小，并且對(duì)于空間碎片的外形具有順從的特性［24］．該捕獲機(jī)構(gòu)能夠多次反復(fù)使用，通用性強(qiáng)．圖10(a)為衛(wèi)星概念圖，在衛(wèi)星的前端安裝有該DE材料捕獲機(jī)構(gòu); 圖10(b)為擬抓取的目標(biāo);圖10(c)為研制的多節(jié)式夾持器實(shí)物圖;圖10(d)給出了該夾持器的工作過(guò)程示意．在隨衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中，夾持器處于卷曲狀態(tài)(階段1) ;衛(wèi)星入軌后夾持器被釋放，在彈性勢(shì)能的作用下恢復(fù)至初始狀態(tài)(階段2) ;當(dāng)接近目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，給夾持器施加電壓，使其進(jìn)一步展開(kāi)(階段3) ;當(dāng)目標(biāo)物體進(jìn)入捕獲范圍后，夾持器電壓卸載，在自身彈性勢(shì)能作用下可將目標(biāo)捕獲并固定(階段4與5)．目前，已制作出夾持器樣機(jī)用于概念驗(yàn)證，經(jīng)測(cè)試，該樣機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H有0．65 g，然而最大彎曲角≮60°，最大夾持力為2．2 mN．

2．5 DE驅(qū)動(dòng)器在力反饋控制中的應(yīng)用

人機(jī)交互是目前影響機(jī)器人推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題，力反饋手套能夠直接向操作員反饋機(jī)器人與環(huán)境之間力的交互作用信息，在機(jī)器人控制、虛擬現(xiàn)實(shí)、宇航員訓(xùn)練等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景．目前，基于傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的外骨骼力反饋手套體積較為龐大，應(yīng)用不便．為了解決這個(gè)問(wèn)題，Zhang等［13］開(kāi)發(fā)了基于DE驅(qū)動(dòng)器的力反饋手套，如圖11所示．當(dāng)手處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)力補(bǔ)償來(lái)抵消手套應(yīng)力的影響;當(dāng)被控對(duì)象與環(huán)境接觸時(shí)，則限制人手的運(yùn)動(dòng)，從而給人以機(jī)器人與環(huán)境之間接觸力的反饋．然而，由于DE材料具有較大的非線性特征，DE驅(qū)動(dòng)器的力、位置難以精確控制，給精確的力、位反饋控制帶來(lái)了較大的困難［30］．

圖11　基于DE驅(qū)動(dòng)器的力反饋手套［13］

3　DE材料及其理論的研究進(jìn)展

3．1 DE材料及特性

目前，大部分研究是圍繞聚丙烯酸酯(Acrylic)和硅橡膠(Silicone)兩類主要的DE材料開(kāi)展的，這兩類材料在應(yīng)力響應(yīng)方面都展現(xiàn)出巨大的潛力，具有應(yīng)變大、頻率響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，詳細(xì)信息見(jiàn)表3［31］．Acrylic主要是3M公司生產(chǎn)的VHB－4905/ VHB4910系列壓敏人造橡膠粘貼薄膜［32－33］．可以在市場(chǎng)上以膠帶的形式購(gòu)買(mǎi)到厚度為100～1 000 μm、長(zhǎng)度和寬度幾百mm的Acrylic薄膜，然后裁剪成不同的形狀加以使用，由于該薄膜的兩側(cè)都有粘接劑，有利于柔性電極的附著，相對(duì)于硅橡膠應(yīng)用會(huì)更為方便．Silicone主要有Nusil R31－2186、CF19－2186、Dow Corning HS3［34－35］等，需要一定比例的軟化劑、硬化劑等催化劑，并在特定的模具中固化來(lái)獲取需要的形狀，能夠更加靈活地獲取不同形狀和機(jī)電特性的彈性體．通過(guò)調(diào)研，這兩種DE材料的特點(diǎn)總結(jié)如下:

1)兩者都需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓(＞1 000 V) (成為限制其推廣應(yīng)用的主要原因之一) ;

2) Acrylic的應(yīng)力響應(yīng)能力比Silicone要好，而Silicone的相應(yīng)速度要比Acrylic快;

3)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)拉伸能夠顯著提高DE材料的機(jī)電穩(wěn)定性［36］．Silcone相對(duì)于Acrylic對(duì)預(yù)應(yīng)力要求較低，在較小或沒(méi)有預(yù)應(yīng)力條件下也能夠表現(xiàn)出適中的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變;

4)測(cè)試發(fā)現(xiàn)VHB4910的介電常數(shù)對(duì)低頻電壓依賴性不強(qiáng)，但高頻時(shí)隨著頻率的變化較為明顯［37－40］．Silicone相對(duì)于Acrylic具有較低的黏彈性，因此能夠工作在更高的頻率;

5) Acrylic的特性隨著溫度會(huì)產(chǎn)生較大的變化，而Silicone則沒(méi)有表現(xiàn)出這一缺點(diǎn)，其彈性能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定［6］，更適合驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)．

表3　常用DE材料特性信息［31，41］

3．2 DE材料本構(gòu)理論研究進(jìn)展

DE屬于大變形超彈性材料，關(guān)于DE材料的非線性大變形理論的研究一直是該領(lǐng)域的熱門(mén)方向，目前主要有3種代表性的研究方法．

1)基于超彈性或粘彈性理論來(lái)建立介電彈性體的本構(gòu)關(guān)系［2］，主要有Yeoh模型、Mooney-Rivlin模型和Ogden模型等［42］．Yeoh模型為高階模型且涉及的參數(shù)很多; Kofod通過(guò)進(jìn)行丙烯酸單向拉伸實(shí)驗(yàn)，證明了包含有4個(gè)參數(shù)的Ogden模型能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合［43］，較高階的參數(shù)可得到更精確的解;然而，由于要求在用戶所期望的變形范圍內(nèi)有足夠的數(shù)據(jù)，實(shí)際很難做到對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)．Mooney-Rivlin模型假定應(yīng)變能密度是主應(yīng)變常量的一次項(xiàng)函數(shù)，雖然能夠較好地描述橡膠類超彈性體材料在大變形下的力學(xué)特性，但結(jié)果不夠精確［44］．Lochmatter等［45］基于超彈性理論研究了DE平面驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)行為; Yang［46］、Plante［47］、Wissler等［48］分別提出了DE材料環(huán)形驅(qū)動(dòng)器、圓形驅(qū)動(dòng)器和菱形驅(qū)動(dòng)器的粘彈性解析模型．

2)基于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和麥克斯韋－法拉第電磁學(xué)理論建立DE材料機(jī)電耦合系統(tǒng)的基本理論框架［2］．主要代表性成果如下: Goulbourne等［49］綜合考慮材料非線性、幾何非線性和機(jī)電耦合場(chǎng)作用，推導(dǎo)出DE材料的本構(gòu)關(guān)系; Dorfmann等［50］提出了非線性彈性電介質(zhì)的基本理論框架，用于求解電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)性能影響的邊界值問(wèn)題; Mcmeeking等［51］給出了電介質(zhì)、電極和環(huán)境所構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng)在等溫過(guò)程中的能量平衡方程; Trimarco等［39］提出了彈性固體的拉格朗日靜電學(xué)理論框架，推導(dǎo)出應(yīng)力張量的解析表達(dá)式．

3)基于熱力學(xué)理論，建立可變形電介質(zhì)的熱力學(xué)理論框架［2］．Harvard大學(xué)Suo教授團(tuán)隊(duì)［52］基于熱力學(xué)自由能理論，提出了電活性聚合物的非線性本構(gòu)方程，該方程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電活性聚合物力電耦合過(guò)程的理論分析，且具有明確的物理意義，已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可．基于該理論框架，Liu等［53］進(jìn)一步結(jié)合超彈性理論、機(jī)電耦合理論以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出不同條件下的本構(gòu)關(guān)系．

3．3 DE材料失效模式及穩(wěn)定性研究進(jìn)展

3．3．1 DE材料失效模式

DE驅(qū)動(dòng)器是一種基于電致變形原理的驅(qū)動(dòng)器，雖然能夠在電場(chǎng)下產(chǎn)生較大的變形，但在發(fā)生形變的過(guò)程中還可能會(huì)發(fā)生多種失效破壞模式，主要有電擊穿、力電耦合失穩(wěn)、強(qiáng)度破壞和褶皺等［41］．這些失效現(xiàn)象在一定程度上制約了DE驅(qū)動(dòng)器的推廣應(yīng)用［54－55］．

3．3．1．1電擊穿

當(dāng)DE薄膜兩側(cè)所施加的電場(chǎng)過(guò)大時(shí)，高電壓會(huì)使DE材料中的帶電微粒發(fā)生位移，并逐漸形成電流通路，此時(shí)DE薄膜由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，即發(fā)生電擊穿．研究表明，DE的電擊穿強(qiáng)度與預(yù)拉伸、材料薄膜的厚度、材料的剛度等有關(guān)，適當(dāng)施加預(yù)拉伸有利于提高電擊穿強(qiáng)度［56－57］．

3．3．1．2力電耦合失穩(wěn)

當(dāng)DE薄膜兩側(cè)電極施加電壓時(shí)，DE薄膜的厚度將在電場(chǎng)應(yīng)力的作用下受擠壓而變薄，薄膜兩側(cè)電極的間距變小，電場(chǎng)強(qiáng)度隨之變大，進(jìn)一步壓縮DE材料薄膜的厚度，從而形成一種正反饋?zhàn)饔眠^(guò)程．如果施加的電壓過(guò)大會(huì)使DE材料內(nèi)部分子鏈塌陷，造成材料內(nèi)部特性的破壞，即產(chǎn)生力電耦合失穩(wěn)現(xiàn)象．

3．3．1．3強(qiáng)度破壞

受材料機(jī)械強(qiáng)度的限制，當(dāng)DE材料在外力(預(yù)拉力、電場(chǎng)力)作用下產(chǎn)生的變形過(guò)大時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，造成材料撕裂．

3．3．1．4褶皺

DE材料在外力作用下所承受的應(yīng)力超過(guò)薄膜的第三原理應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象［47］，如圖12所示，褶皺現(xiàn)象一般在撕裂之前出現(xiàn)．

圖12　DE材料褶皺現(xiàn)象［47］

綜上，DE材料不僅存在上述多種失效模式，且各種失效模式之間還存在著耦合和相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，只有對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入理解，并掌握其運(yùn)行規(guī)律，才能進(jìn)一步推進(jìn)DE材料的發(fā)展［47，58］．為此，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者針對(duì)介電彈性材料的穩(wěn)定性開(kāi)展了廣泛而深入的研究．

3．3．2 DE材料穩(wěn)定性研究進(jìn)展

Zhao等［59］提出應(yīng)用自由能分析介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性的方法，以Neo-Hookean彈性應(yīng)變能為例，給出了介電彈性體所承受的名義電場(chǎng)和產(chǎn)生的名義電位移之間的關(guān)系，理論證明了預(yù)拉伸在提高DE材料機(jī)電穩(wěn)定性上的顯著作用，且理論計(jì)算出的臨界擊穿電場(chǎng)能夠與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果很好吻合．Liu等［60］應(yīng)用Mooney－Rivlin彈性應(yīng)變能模型對(duì)介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性行為進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):隨著材料常數(shù)比K的增大，不同類型或結(jié)構(gòu)的介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性將逐漸增強(qiáng)．Norrisa［30］給出了Ogden模型的簡(jiǎn)化形式，簡(jiǎn)單、精確地描述了臨界真實(shí)電場(chǎng)、名義應(yīng)力與拉伸率之間的關(guān)系．

大量研究表明，介電彈性體在經(jīng)歷大變形時(shí)，自身的變形會(huì)對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生影響．Zhao等［61］將介電常數(shù)擬合為依賴于拉伸的線性變化函數(shù)，Liu等［62］進(jìn)一步根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用非線性變化函數(shù)來(lái)描述介電常數(shù)與拉伸的關(guān)系，并從解析表達(dá)和數(shù)值模擬兩個(gè)角度對(duì)DE材料的機(jī)電穩(wěn)定進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究．蘭州大學(xué)的Yong等［63］分析了DE材料非均勻變形以及失穩(wěn)行為，西安交通大學(xué)陳花玲等［64－65］實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)拉伸、溫度、電壓頻率等對(duì)DE材料性能的影響，并進(jìn)行了深入的理論分析．

4　DE驅(qū)動(dòng)器柔性電極的研究進(jìn)展

DE彈性體在兩個(gè)電極的電場(chǎng)作用下變形而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)變形的過(guò)程中導(dǎo)電電極薄膜要求能夠與彈性體均勻接觸，隨著彈性體變形而變形，且不產(chǎn)生相反的應(yīng)力或喪失傳導(dǎo)能力，因此，柔性電極性能和發(fā)展?jié)摿σ渤蔀橹萍sDE驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的核心因素之一．

4．1 DE驅(qū)動(dòng)器對(duì)柔性電極性能的要求

DE驅(qū)動(dòng)器的性能部分依賴于其使用的電極材料，電極薄膜的缺陷(凝膠顆粒、厚度不均勻、交聯(lián)不均勻、應(yīng)力集中)都會(huì)大幅度降低DE驅(qū)動(dòng)器的性能［66］，用于DE驅(qū)動(dòng)器的電極需要滿足以下要求［67］:

1)高柔性(如: Young氏模量＜100 MPa)［68］;

2)在較大應(yīng)變條件下保持較小的電阻;

3)在較大應(yīng)變條件下保持較高的表面密度;

4)相對(duì)于電介質(zhì)薄膜具有較小的厚度;

5)能夠繪制高分辨率圖案;

6)對(duì)電介質(zhì)層具有較好的吸附能力;

7)滿足典型的DE驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)工藝要求，在層疊、卷軸等過(guò)程中不易產(chǎn)生損壞;

8)長(zhǎng)壽命，如在高低溫、輻射等環(huán)境條件下，長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的性能．

4．2柔性電極材料工藝性能分析

雖然DE驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)頻率受電極的充電時(shí)間和電阻的影響，但更受制于高粘性材料的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間，因此，DE驅(qū)動(dòng)器電極的柔性是驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素，而相對(duì)較低的傳導(dǎo)性(例如10－3s/cm)是可以接受的［68］．常用的電極材料包括導(dǎo)電碳膏、炭黑、碳粉(含硅油或不含)、石墨粉、石墨噴霧、金、鉑、銀等，這些電極材料的特性和優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表4［69］．

碳膏是最常用的柔性電極解決方案，能夠在較大的應(yīng)變條件下保持良好的傳導(dǎo)特性．碳膏便宜且容易獲得，并且能夠在大多數(shù)的DE材料上具有較好的粘附性的同時(shí)對(duì)于驅(qū)動(dòng)特性的影響最小;但是碳膏屬于“濕”性電極，隨著時(shí)間的推移會(huì)變干，應(yīng)用壽命較短，且較難均勻地制成很薄的導(dǎo)電層．干石墨和碳粉同樣具有便宜、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于碳膏這種干粉末材料更加適合制成多層驅(qū)動(dòng)器(碳膏會(huì)在驅(qū)動(dòng)器變形過(guò)程中產(chǎn)生滑動(dòng)而導(dǎo)致厚度不均勻) ;然而碳粉等電極的導(dǎo)電性會(huì)隨著變形量的增大而減小直至喪失，另外同樣較難均勻地制成很薄的導(dǎo)電層［70］．文獻(xiàn)［67］通過(guò)對(duì)比粉刷和濺射石墨工藝的效果，指出濺射石墨得到電極的電阻是前者的2倍以上，且不是同質(zhì)分布．

表4　常用電極材料特性

Benslimane等［72］采用物理氣相沉積方法在DE薄膜上繪制特殊設(shè)計(jì)的金屬褶皺圖案，這種銀電極只能在褶皺的方向延伸，最大應(yīng)變達(dá)到了33%，但是制備相對(duì)較為困難．與之相似，Trujillo等［73］采用濺射的方式在DE薄膜上制作了金電極波紋，產(chǎn)生的應(yīng)變達(dá)到20%．Yuan等［66］采用的單壁碳納米管(SWNT)制作的具有自我清潔能力的柔性電極，具有更好的容錯(cuò)能力．最近研究表明，制備多層DE驅(qū)動(dòng)器時(shí)，建議采用導(dǎo)電粘合劑噴霧工藝［62，68］．

5　DE驅(qū)動(dòng)器面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于DE驅(qū)動(dòng)器已開(kāi)展了廣泛而深入的研究，但是目前的研究都是在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的，尚沒(méi)有成熟的DE驅(qū)動(dòng)器投入實(shí)際生產(chǎn)和生活應(yīng)用，仍面臨著大量富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題有待解決．除了上述DE材料、柔性電極等主要因素外，還有來(lái)自高驅(qū)動(dòng)電壓和精確運(yùn)動(dòng)控制等方面的挑戰(zhàn)［74－75］．

5．1高驅(qū)動(dòng)電壓挑戰(zhàn)

開(kāi)發(fā)DE驅(qū)動(dòng)器主要挑戰(zhàn)之一是需要很高的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男巫?，甚至高達(dá)150 V/μm．針對(duì)這種高電壓的要求，研究者正在采取不同的方式加以解決．瑞士聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室的Zhang等［76］針對(duì)預(yù)應(yīng)力、電介質(zhì)添加劑對(duì)硅橡膠的驅(qū)動(dòng)電壓的影響開(kāi)展了深入研究，取得的研究成果令人印象深刻．研究發(fā)現(xiàn)，隨著在硅橡膠中添加的硬化劑的增加，Young氏模量增加而介電常數(shù)卻在下降，而Young氏模量增加和介電常數(shù)的下降又都使得驅(qū)動(dòng)應(yīng)力降低，介電常數(shù)與Young氏模量的比率是決定DE驅(qū)動(dòng)器應(yīng)力響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)．因此，不同的硬化劑含量展現(xiàn)出不同的應(yīng)力響應(yīng)特性，Zhang等［76］這一研究成果為后續(xù)研究開(kāi)拓了新的領(lǐng)域．

5．2精確控制挑戰(zhàn)

由于DE薄膜的彈性系數(shù)和黏滯特性的非線性特征較強(qiáng)，很難建立一個(gè)準(zhǔn)確的模型來(lái)描述其動(dòng)力學(xué)和相應(yīng)的阻抗特性．Choi等［77］建立了彈簧－阻尼簡(jiǎn)化集總模型來(lái)描述DE驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證．Carpi等［78］基于小變形假設(shè)，建立了應(yīng)變?chǔ)牛?0%條件下的螺旋驅(qū)動(dòng)器的機(jī)電模型，并用以預(yù)測(cè)所施加的電壓與產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變之間關(guān)系．然而，DE驅(qū)動(dòng)器要實(shí)現(xiàn)位置、力的精確控制還有很長(zhǎng)路要走［79］．

6　結(jié)論及展望

本文簡(jiǎn)要描述了介電彈性材料作為一種新型的驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，給出了DE驅(qū)動(dòng)器的基本原理和常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式．對(duì)比分析了幾種常用DE材料的特性，從材料特性、本構(gòu)理論、失效模式和穩(wěn)定性等方面總結(jié)了DE材料驅(qū)動(dòng)器的理論研究進(jìn)展，說(shuō)明了DE驅(qū)動(dòng)器對(duì)柔性電極的要求和柔性電極研究進(jìn)展，分析了DE驅(qū)動(dòng)器面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向．

DE材料作為一種新型的驅(qū)動(dòng)方式吸引了大量學(xué)者開(kāi)展廣泛而深入的研究，DE材料初步展現(xiàn)出其內(nèi)在的大變形、生物親和性好，輕質(zhì)廉價(jià)等特點(diǎn)，并在多種領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，但是DE驅(qū)動(dòng)器真正進(jìn)入生產(chǎn)和生活還需要克服諸多挑戰(zhàn)．

參考文獻(xiàn)

［1］SUO Z G．Theory of dielectric elastomers［J］．Acta Mechanica Solida Sinica，2010，23(6) : 549－578．

［2］劉立武，李金嶸，呂雄飛，等．電活性介電彈性體的本構(gòu)理論和穩(wěn)定性研究進(jìn)展［J］．中國(guó)科學(xué)(技術(shù)科學(xué))，2015，45(5) : 450－463．

［3］de GENNES P G．Soft matter［J］．Reviews of Modern Physics，1996，64(3) : 645－648．

［4］JOHN D M．Motor robots: motor challenges and materials solutions［J］．Science，2007，318(5853) : 1094－1097．

［5］FEDERICO C，SIEGFRIED B，DANILO D R．Stretching dielectric elastomer performance［J］．Science，2010，330 (6012) : 1759－1761．

［6］AILISH O，HALLORAN，F(xiàn)ERGAL O，et al．A review on dielectric elastomer actuators，technology，applications，and challenges［J］．Journal of Applied Physics，2008，104(7) : 071101．

［7］PRAHLAD H，PELRINE R，KORNBLUH R，et al．Programmable surface deformation: thickness-mode electroactive polymer actuators and their applications ［C］/ /Proceedings of SPIE-The International Society for Optical and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 102－113．

［8］SCHLAAK HF，JUNGMANN M，MATYSEK M，et al．Novel multilayer electrostatic solid-state actuators with elastic dielectric［C］/ /Proceedings of SPIE-The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 121－133．

［9］CHOI H R，LEE S W，JUNG K M，et al．Tactile display as a braille display for the visually disabled［C］/ /2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems．Piscataway: IEEE，2004: 1985－1990．

［10］BOLZMACHER C，BIGGS J，SRINIVASAN M．Flexible dielectric elastomer actuators for wearable human-machine interfaces［C］/ /Proceedings of SPIE-The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 27－38．

［11］CARPI F，de ROSSI D．Contractile dielectric elastomer actuator with folded shape［C］/ /Proceedings of SPIE-The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 99－104．

［12］CARPI F，F(xiàn)ANTONI G，GUERRINI P，et al．Buckling dielectric elastomer actuators and their use as motors for the eyeballs of an android face［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 61681A．

［13］ZHANG R，KUNZ A，LOCHMATTER P，et al．Dielectric elastomer spring roll actuators for a portable force feedback device［C］/ / 2006 14th Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems．Washington DC: IEEE Computer Society，2006: 347－353．

［14］ZHANG R，LOCHMATTER P，KUNZ A，et al．Spring roll dielectric elastomer actuators for a portable force feedback glove［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 61681T．

［15］HEYDT R，KORNBLUH R，ECKERLE J，et al．Sound radiation properties of dielectric elastomer electroactive polymer loudspeakers［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 61681M．

［16］KORNBLUH R D，F(xiàn)LAMM D S，PRAHLAD H，et al．Shape control of large lightweight mirrors with dielectric elastomer actuation［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2003－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2003: 143－148．

［17］CHOI H R，JUNG K，RYEW S，et al．Biomimetic soft actuator: design，modeling，control，and applications［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2005，10 (5) : 581－593．

［18］CHOI H R，JUNG K，CHUC N，et al．Effects of prestrain on behavior of dielectric elastomer actuator［C］/ / Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 283－291．

［19］WINGERT A，LICHTER M D，DUBOWSKY S．On the design of large degree-of-freedom digital mechatronic devices based on bistable dielectric elastomer actuators ［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2006，11(4) : 448－456．

［20］PEI Q，PELRINE R，ROSENTHAL M，et al．Recent progress on electroelastomer artificial muscles and their application for biomimetic robots［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2004－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2004: 41－50．

［21］CARPI F，MIGLIORE A，SERRA G，et al．Helical dielectric elastomer actuators［J］．Smart Material and Structure，2005，14(6) : 1210－1216．

［22］WACHE R，MCCARTHY D N，RISSE S，et al．Rotary motion achieved by new torsional dielectric elastomer actuators design［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2015，20(2) : 975－977．

［23］GIOVANNI B，ROCCO V，GABRIELE V，et al．Optimal synthesis of conically shaped dielectric elastomer linear actuators: design methodology and experimental validation ［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2011，16(1) : 67－79．

［24］ARAROMI O A，GAVRILOVICH I，SHINTAKE J，et al．Towards a deployable satellite gripper based on multisegment dielectric elastomer minimum energy structures［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2014－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2014: 90562G．

［25］BAR-COHEN Y．Worldwide electro active polymer (WWEAP)［J］．Newsletter，1999，7 (2) : 1－16．

［26］BAR-COHEN Y．Electroactive polymers as artificial muscles: a review［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2002，39(6) : 822－827．

［27］CARPI F，de ROSSI D，KORNBLUH R，et al．Dielectric elastomers as eletromechanical transducers: fundamentals，materials，devices，models and applications of an energing electroactive polymer technology［M］．Amsterdam: Elsevier，2011: 91－96．

［28］SHINTAKE J，ROSSET S，SCHUBERT B E，et al．A foldable antagonistic actuator［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2014，20(5) : 1－12．

［29］BAR-COHEN Y．World wide electro active polymer (WWEAP)［J］．Newsletter，2007，9(2) : 1－15．

［30］NORRISA A N．Comment on Method to analyse electromechanical stability of dielectric elastomers［J］．Applied Physics Letters，2007，92: 026101．

［31］MADDEN J D W，VANDESTEEG N，ANQUETIL P，et al．Artificial muscle technology: physical principles and naval prospects［J］．IEEE Journal of Oceanic Engineering，2004，29(3) : 706－728．

［32］MIRFAKHRAI T，MADDEN J D W，BAUGHMAN R H．Polymer artifical muscles［J］．Materials today，2007，10 (4) : 30－38．

［33］YANG E，F(xiàn)RECKER M，MOCKENSTURM E．Finite element and experimental analyses of non-axisymmetric dielectric elastomer actuators［C］/ /Proceedings of SPIE－the International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 61680H．

［34］KOFOD G，SOMRNER－LARSEN P．Some aspects of large strain actuation in dielectric elastomers［C］/ /2005 12th International Symposium on Electrets．Piscataway: IEEE，2005: 208－211．

［35］TANAKA T，SATO M，KOZAKO M．High field Maxwell stress-strain characteristics of conventional polymers as actuators［C］/ /2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena．Piscataway: IEEE，2004: 364－367．

［36］LI B，CHEN H L，QIANG J H，et al．Effect of mechanical pre-stretch on the stabilization of dielectric elastomer actuation［J］．Journal of Physics D: Applied Physics，2011，44(15) : 155301．

［37］SOMMER-LARSEN P，KOFOD G，SHRIDHAR M H，et al．Performance of dielectric elastomer actuators and materials［C］/ /Proceedings of SPIE－The Initernational Society for Optical Engineering，Smart Structures and Materials 2002－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2002．158－166．

［38］MCKAY T G，CALIUS E，ANDERSON I A．The dielectric constant of 3M VHB: a parameter in dispute［C］/ / Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 72870P．

［39］TRIMARCO C．On the Lagrangian electrostatics of elastic solids［J］．Acta Mechanica，2009，204(3) : 193－201．

［40］盛俊杰，陳花玲，李博．頻率對(duì)VHB4910介電彈性體材料介電性能的影響［J］．功能材料與器件學(xué)報(bào)，2011，17(6) : 549－554．

［41］BROCHU P，PEI Q．Advances in dielectric elastomers for actuators and artifical muscles［J］．Macromolecular Rapid Communications，2010，31(1) : 10－36．

［42］WISSLER M，MAZZA E．Modeling of a prestrained circular actuator made of dielectric elastomers［J］．Sensors and Actuators A，2005，120(1) : 184－192．

［43］KOFOD G．Dielectric elastomer actuators［D］．Kongens Lyngby: The Technical University of Denmark，2001: 1－83．

［44］陳明，林桂娟，宋德朝．電活性聚合物微型發(fā)電機(jī)［J］．光學(xué)精密工程，2010，18(11) : 2413－2420．

［45］LOCHMATTER P，MICHEL S，KOVACS G．Electromechanical model for static and dynamic activation of elementary dielectric elastomer actuators［C］/ /Proceedings of SPIEThe International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2006－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 61680F．

［46］YANG E，F(xiàn)RECKER M，MOCKENSTURM E．Viscoelastic model of dielectric elastomer membranes［C］/ /Proceedings of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 82－93．

［47］PLANTE J S，DUBOWSKY S．Large-scale failure modes of dielectric elastomer actuators［J］．International Journal of Solids Structure，2006，43(25) : 7727－7751．

［48］WISSLER M，MAZZA E．Electromechanical coupling in dielectric elastomer actuators［J］．Sensors and Actuators A: Physical，2007，138(2) : 384－393．

［49］GOULBOURNE N C，MOCKENSTURM E M，F(xiàn)RECKER M I．A nonlinear model for dielectric elastomer membranes ［J］．Journal of Applied Mechanics，2005，72(6) : 899－906．

［50］DORFMANN A，OGDEN R W．Nonlinear electroelasticity ［J］．Acta Mechanica，2005，174(3/4) : 167－183．

［51］MCMEEKING R M，LANDIS C M．Electrostatic forces and stored energy for deformable dielectric materials［J］．Journal of Applied Mechanics，2005，72(4) : 581－590．

［52］SUO Z，ZHAO X，GREENE W H．A nonlinear field theory of deformable dielectrics［J］．Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2008，56(2) : 467－486．

［53］LIU Y J，LIU L W，ZHANG Z，et al．Dielectric elastomer film actuators: characterization，experiment and analysis ［J］．Smart Mater Struct，2009，18(9) : 095024．

［54］NGUYEN C H，ALICI G，MUTLU R．Modeling a soft robotic mechanism articulated with dielectric elastomer actuators［C］/ / 2014 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM)． Piscataway: IEEE，2014: 599－604．

［55］KEPLINGER C，LI T，BAUMGARTNER R，et al．Harnessing snap－through instability in soft dielectrics to achieve giant voltage－triggered deformation［J］．Soft Matter，2012，8(2) : 285－288．

［56］祁新梅，鄭壽森，戴豐加．預(yù)拉伸電活性絕緣彈性薄膜的機(jī)電驅(qū)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)及分析［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(11) : 1－4．

［57］MUFFOLETTO D P，BURKE K M，ZIRNHELD J L．Partial discharge monitoring in dielectric elastomer actuators［C］/ / 2013 19th IEEE Pulsed Power Conference (PPC)．Piscataway: IEEE，2013: 1－5．

［58］BUCHBERGER G，MAYRHOFER B，JAKOBY B，et al．Dynamic capacitive extensometry setup for in-situ monitoring of dielectric elastomer actuators［C］/ /2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference．Piscataway: IEEE，2012: 75－80．

［59］ZHAO X H，SUO Z G．Method to analyze electromechanical stability of dielectric elastomers［J］．Applied Physical Letter，2007，91(6) : 061921．

［60］LIU Y J，LIU L W，ZHANG Z，et al．Comment on method to analyze electromechanical stability of dielectric elastomers［J］．Applied Physics Letters，2008，93(10) : 106101．

［61］ZHAO X H，SUO Z G．Electrostriction in elastic dielectrics undergoing large deformation［J］．Journal of Applied Physics，2008，104(12) : 123530．

［62］LIU Y J，LIU L W，SUN S H，et al．Electromechanical stability of Mooney-Rivlin-type dielectric elastomer with nonlinear variable dielectric constant［J］．Polymer International，2010，59(3) : 371－377．

［63］YONG H D，HE X Z，ZHOU Y H．Electromechanical instability in anisotropic dielectric elastomer［J］．International Journal of Engineering Science，2012，50 (1) : 144－150．

［64］陳花玲，王永泉，盛俊杰，等．電活性聚合物材料及其在驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49 (16) : 205－214．

［65］SHENG J J，CHEN H L，LI B．Effect of temperature on the stability of dielectric elastomers［J］．Journal of Physics D: Applied Physics，2011，44(36) : 365406．

［66］YUAN W，HU L B，YU Z B，et al．Fault-tolerant dielectric elastomer actuators using single-walled carbon nanotube electrodes［J］．Advanced Materials，2008，20 (3) : 621－625．

［67］SCHLAAK HF，JUNGMANN M，MATYSEK M，et al．Novel multilayer electrostatic solid－state actuators with elastic dielectric［C］/ /Procceding of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2005－Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2005: 121－33．

［68］DELILLE R，URDANETA M，HSIEH K，et al．Novel compliant electrodes based on platinum salt reduction ［C］/ /Proceeding of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials Symposium: Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD)．San Diego: SPIE，2006: 6168Q．

［69］BIDDISS E，CHAU T．Dielectric elastomers as actuators for upper limb prosthetics: challenges and opportunities ［J］．Medical Engineering＆Physics，2008，30 (4) : 403－418．

［70］CARPI F，CHIARELLI P，MAZZOLDI A，et al．Electromechanical characterisation of dielectric elastomer planar actuators: comparative evaluation of different electrode materials and different counter loads［J］．Sensor and Actor A，2003，107(1) : 85－95．

［71］KORNBLUH R，PELRINE R，JOSEPH J，et al．High field electrostriction of elastomeric polymer dielectrics for actuation［C］/ /Proceeding of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 1999－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，1999: 149－161．

［72］BENSLIMANE M，GRAVESEN P，SOMMER-LARSEN P．Mechanical properties of dielectric elastomer actuators with smart metallic compliant electrodes［C］/ /Proceeding of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 2002－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，2002: 150－157．

［73］TRUJILLO R，MOU J，PHELAN P E，et al．Investigation of electrostrictive polymers as actuators for mesoscale devices［J］．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004，23(3/4) : 176－182．

［74］TANAKA T，SATO M，KOZAKO M．High field maxwell stress—strain characteristics of conventional polymers as actuators［C］/ / 2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena．Piscataway: IEEE，2004: 364－367．

［75］BROCHU P，PEI Q．Advances in dielectric elastomers for actuators and artificial muscles［J］．Macromoleculat Rapid Communications，2010，31(1) : 10－36．

［76］ZHANG X Q，WISSLER M，JAEHNE B，et al．Effects of crosslinking prestrain and dielectric filler on the electromechanical response of a new silicone and comparison with acrylic elastomer［C］/ /Proceeding of SPIE－The International Society for Optics and Engineering，Smart Structures and Materials 1999－Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)．San Diego: SPIE，1999: 78－86．

［77］CHOI H R，RYEW S M，JUNG K M，et al．Soft actuator for robotic applications based on dielectric elastomer: dynamic analysis and applications［C］/ /Proceedings of the 2002 IEEE lntemational Conference on Robotics＆Automation．Washington DC: IEEE Computer Society，2002: 3218－3223．

［78］CARPI F，ROSSI D D．Small-strain modeling of helical dielectric elastomer actuators［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2012，17(2) : 318－325．

［79］JIANG C，TAKAGI K，SUZUKI T，et al．Experimental study of position control with tube－type dielectric elastomer actuator［C］/ /2013 International Conference on Advanced Mechatronic Systems．Washington DC: IEEE Computer Society，2013: 352－356．

(編輯楊波)

Application progress of dielectric elastomer actuators in robots

GUO Chuangqiang，WU Chunya，ZOU Tian，ZHANG Zijian，LIU Hong
(State Key Laboratory of Robotics and System (Harbin Institute of Technology)，150080 Harbin，China)

Abstract:The fundamental principle and the structure of dielectric elastomer actuators，together with their applications in robotic systems were reviewed briefly，and the special stress was mainly laid on analyzing the progress in theoretical investigations on the properties of dielectric elastomer，including material characteristics，constitutive theory，failure mode and stability，etc．The actuator’s specific requirements and the technique characteristics of the flexible electrodes were also summarized in detail．The application of dielectric elastomer actuators in robotic system was prospected on the basis of a profound discussion of the challenges that the dielectric elastomer actuators still have now．

Keywords:robot; dielectric elastomer; driver; artificial muscles; flexible electrode

通信作者:劉宏，dlrhitlab@ aliyun．com．

作者簡(jiǎn)介:郭闖強(qiáng)(1982—)，男，博士，助理研究員;劉宏(1966—)，男，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授．

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51505098) ;中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M571403) ;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT．NSRIF．2015059) ;機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究項(xiàng)目(SKLRS－2015－MS－04)

收稿日期:2015－08－05．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．001

中圖分類號(hào):TP24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367－6234(2016) 01－0001－12