巴基凝膠執(zhí)行器

謝霆震 王鴻業(yè) 李好

【摘 要】自2005年巴基凝膠執(zhí)行器（BGA）的示范以來，為開發(fā)這種電活性變形納米復(fù)合材料的新應(yīng)用付出了巨大努力。這種三層雙形態(tài)納米復(fù)合材料可以很容易地制造，在空氣中操作，并驅(qū)動(dòng)幾個(gè)伏特。

【關(guān)鍵詞】巴基凝膠;執(zhí)行器

一、引言

近些年來，人們開始關(guān)注能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為機(jī)械工作的軟材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S廣泛應(yīng)用，包括機(jī)器人、觸覺和光學(xué)顯示器、價(jià)值設(shè)備、微電系統(tǒng)等[1]，特別是機(jī)械聚合物執(zhí)行器，它可以工作快速和軟驅(qū)動(dòng)電壓，所以它們可以用作人工肌肉般的執(zhí)行器的各種生物醫(yī)學(xué)。隨著工作環(huán)境的需求，人們希望其可以以極低的操作電壓在空氣中工作，“巴基凝膠”逐漸出現(xiàn)在人們的視野中。巴基凝膠使離子液體和碳納米管的明膠狀混合物。這種混合物已應(yīng)用于執(zhí)行器、可伸縮電子設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換材料。巴基凝膠還應(yīng)用于開發(fā)化學(xué)生物傳感器。

二、巴基凝膠

在過去二十年中，進(jìn)行了大量研究，旨在開發(fā)能夠在空氣中以最小功耗運(yùn)行的電活性聚合物（EAP）。根據(jù)定義，EAP 是一種聚合物系統(tǒng)，它對(duì)電刺激做出響應(yīng)，其大小或形狀發(fā)生了顯著變化。然而，壽命短和響應(yīng)時(shí)間慢是主要缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)是通過使用碳納米管解決的后經(jīng)過改進(jìn)試驗(yàn)除了巴基凝膠。巴基凝膠是一種含有單壁碳納米管的明膠室離子液體，因其能以極低操作電壓在空氣中工作，使其在執(zhí)行器等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。Baughman等人[2] 是第一個(gè)報(bào)告由于電潛在應(yīng)用而淹沒在水解質(zhì)溶液中的碳納米管板材變形的人，由于該驅(qū)動(dòng)是碳納米管充電和放電導(dǎo)致的雙層形成的結(jié)果，并且是非法拉達(dá)驅(qū)動(dòng)的，因此響應(yīng)時(shí)間問題得到了解決。但是，只有在電解質(zhì)溶液存在的情況下，才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中驅(qū)動(dòng)因素歸因于電荷噴射引起的共價(jià)結(jié)合方向的單壁碳納米管尺寸變化，該方向源于量子官和雙層電靜電效應(yīng)。但是，只有在電解質(zhì)溶液存在的情況下，才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)后經(jīng)過Aide課題組[3]改進(jìn)，創(chuàng)造出了可在空氣中發(fā)揮機(jī)電性能的第一代“Bucky Gel”執(zhí)行器，后學(xué)者根據(jù)這一模型改進(jìn)。

2.降壓凝膠執(zhí)行器

降壓凝膠執(zhí)行器（BGA）使一種三層復(fù)合材料，由夾在兩層相同電極以及之間電解質(zhì)層做成。電極層由聚合物質(zhì)基質(zhì)中的巴基凝膠組成，電解質(zhì)層使離子液體和相同聚合物基質(zhì)的混合物。降壓凝膠執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)可以用兩種不同的理論來解釋：電荷注入和離子轉(zhuǎn)移。根據(jù)電荷噴射模型，驅(qū)動(dòng)是電荷噴射引起的碳碳鍵長度的尺寸變化的結(jié)果，其來源于量子和雙層靜電效應(yīng)。驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)原因是電離子在層之間轉(zhuǎn)移。

Takanori Fukushima等人[3]采用了雙形態(tài)配置應(yīng)用于執(zhí)行器，采用聚合物支持的內(nèi)部離子液體電解質(zhì)質(zhì)層，夾雜著巴基凝膠電極層，其首次將降壓凝膠應(yīng)用于軟執(zhí)行器的制造中使該執(zhí)行器可在低電壓下在空氣中快速、長壽命地運(yùn)行。

Ichiroh Takeuchi等人[4]探索了“巴基凝膠”降壓凝膠電極和含有七種內(nèi)部離子液體的凝膠電解質(zhì)層組成的降壓凝膠執(zhí)行器的機(jī)電和電化學(xué)特性。該執(zhí)行器是由相同內(nèi)部離子液體的電極和電解質(zhì)層加熱而制造的，厚度僅有130-140μm。在不討論重做峰值的情況下，低頻段電壓與位移成正比;隨著應(yīng)用電壓頻率的增加，電流與電壓開始顯示歐米奇曲線的傾向。陰極和節(jié)點(diǎn)的體積變化分別根據(jù)以及和陰離子的大小而變化。彎曲運(yùn)動(dòng)程度大小主要取決于離子液體所選離子物質(zhì)大小。

Maurizio Biso等人[5]利用水輔助改性CVD方式生產(chǎn)了超生長碳納米管（SG-CNTs）與離子液體緊密相連，通過CNT之間建立化學(xué)聯(lián)系來克服滑動(dòng)效應(yīng)，改善從納米到宏觀尺度的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移，改善了該執(zhí)行器應(yīng)用于菌株傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。提出了一種新型改善執(zhí)行器充電能力和應(yīng)變與頻率響應(yīng)方面的方法，使執(zhí)行器性能有所提升。

Ken Mukai等人[6]探索了巴基凝膠執(zhí)行器的點(diǎn)擊或形態(tài)修復(fù)。最終證實(shí)由于清晰的粘性反應(yīng)，可能改變和修復(fù)凝膠執(zhí)行器的形狀。由于通過觀察到高頻段輸入信號(hào)可誘發(fā)散熱高達(dá)30℃，所以他們使用這種電控溫度變化增強(qiáng)形狀固定。還研究了幾種固定的技術(shù)，證明巴基凝膠執(zhí)行器可以使用復(fù)合輸入信號(hào)進(jìn)行更改，該信號(hào)同時(shí)觸發(fā)機(jī)電變化和電流誘導(dǎo)加熱。本文還闡述了雙載體驅(qū)動(dòng)模型，以解釋降壓凝膠執(zhí)行器的機(jī)電固定。

三、總結(jié)

巴基凝膠執(zhí)行器（BGA）的顯著功能使其成為極好的不同變形應(yīng)用程序的候選者。巴基凝膠執(zhí)行器可以驅(qū)動(dòng)只有幾伏特，制造過程很簡單，它有一個(gè)非常快的響應(yīng)時(shí)間。它也可以在空中和不同頻率運(yùn)行。此外，由于彎曲巴基凝膠降壓執(zhí)行器可以誘導(dǎo)少量電流，它具有作為傳感器和執(zhí)行器的相互使用能力，這兩種能力可以與保持功能聚合物材料的優(yōu)勢相結(jié)合。可構(gòu)建微型執(zhí)行器傳感器系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)。同時(shí)巴基凝膠降壓執(zhí)行器具有改進(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度，有可能應(yīng)用于具有驅(qū)動(dòng)和傳感能力的宏觀到微型智能結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bar-Cohen Y. Electroactive polymer（EAP）actuators as artificial muscles：reality，potential，and challenges[M]. SPIE press，2004.

[2]Baughman R H，Cui C，Zakhidov A A，et al. Carbon nanotube actuators[J]. 1999，284（5418）：1340-1344.

[3]Fukushima T，Asaka K，Kosaka A，et al. Fully plastic actuator through layer‐by‐layer casting with ionic‐liquid‐based bucky gel[J]. 2005，44（16）：2410-2413.

[4]Takeuchi I，Asaka K，Kiyohara K，et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids[J]. 2009，54（6）：1762-1768.

[5]Biso M，Ansaldo A，F(xiàn)utaba D N，et al. Cross-linking super-growth carbon nanotubes to boost the performance of bucky gel actuators[J]. 2011，49（7）：2253-2257.

[6]Kruusam?e K，Mukai K，Sugino T，et al. Electroactive shape-fixing of bucky-gel actuators[J]. 2014，20（3）：1108-1116.

項(xiàng)目基金：

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110214331）

作者簡介：

謝霆震（2000-），男，黑龍江省虎林市人，在讀本科生，專業(yè)為材料成型及控制工程