清华大学王朝教授AM：适应水陆环境的可修复介电弹性体机器人

在自然界中，许多动物能够在水下和陆地上移动，这使它们能够获得更多类型环境中的资源，提高生物的适应性。在软体机器人领域的发展中，使软体机器人能够在各种环境中发挥功能一直是一个持续追求。与自然生物的优雅设计相比，制造既能在陆地上又能在水下运行的人造系统仍然是人们努力的方向。

在这里，清华大学王朝课题组报道了一例基于介电弹性体驱动器（DEA）的能适应水陆环境的高韧性，不可察觉性的可修复软体机器人。作者通过引入多重离子-偶极相互作用，开发出一种软性、可自愈、在水下，干燥环境均稳定的离子导体，既提供了水下稳定性，又有效抑制了离子渗透，从而实现了50倍的器件寿命提升，并展现出出色的水下驱动性能。使用合成的离子电极，DEA驱动的软体机器人展示了在水陆交界区域进行运动的能力。当遭受损伤时，软机器人表现出良好的损伤恢复能力，能够在水下自愈，同时表现出出色的不可察觉性。该文章以“A Highly Robust Amphibious Soft Robot with Imperceptibility Based on a Water-Stable and Self-Healing Ionic Conductor”发表在Advanced Materials上。

图1.基于离子导体的水陆介电弹性体机器人

【材料设计与器件性能表征】

离子导体电极设计难点在于，在电极-水界面上，湿度可以极大地影响离子导体的电-机械性能，并破坏DEA设备的稳定性。在电极-弹性体界面上，由于设备施加了高电压（约为千伏），离子可能会迁移到弹性体中，导致电气击穿并缩短寿命。分子设计的基本原理是在激活电场作用下引入双重离子-偶极相互作用，阻止离子液体迁移到介电弹性体中，并改善疏水性，以防止环境水分渗入离子电极。因此同过引入多重例子偶极相互作用很好的解决了这两个问题。期间寿命也由此得到大幅度提升：约50倍。长达24 h的水下浸泡也不会使离子导体的机械性质和电学性质发生显著变化。

图2.基于多重离子偶极相互作用的离子导体

【运动性能表征】

基于合成的离子电极，作者通过组装一个DEA驱动的软体机器人，进行了运动功能的概念验证。作者设计并制造了由两层介电弹性体分隔的三层电极组成的自封装结构的人工肌肉，并对人工肌肉在电场作用下的形变进行了FEA模拟和分析。由于稳定离子电极的良好导电性能和十分柔软的力学特性，该机器人展现出了良好的运动能力，最快速度可达10.8 cm/s。软体机器人的优良运动特性在水下甚至水陆界面环境也得以维持。

图3.能适应水陆环境的介电弹性体软机器人

【软机器人的不可察觉性】

人类可以看到从400纳米到780纳米的光线，而许多昆虫可以检测到400纳米以下的紫外光，一些鸟类则可以看到频率高于800纳米的光线。高透明度离子电极材料在从300纳米到900纳米的宽频谱范围内表现出超过96%的透射率，使得该体系表现出高度的透明与不可察觉性。与此同时其对声与热也表现出优异的不可察觉性，这为进一步提升器件的使用寿命提供了新的选择。

图4.软机器人具有优良的不可察觉性

【优良的可修复特性】

由于离子载流子和氟化聚合物基质之间的离子-偶极相互作用，离子电极可以在水和陆地环境中进行自愈，并且因此，该驱动系统（DEA）可以在不同的环境下容忍各种类型的损伤。与最常用的碳脂电极相比，其电极图案在机械磨损下容易破坏，而基于离子导体的电极图案保持完整（图5b）。为了展示其自愈特性，当电极被刀切开，新切割的表面会在几分钟内自愈，这个自愈合特性即使完全在水下环境也能够得以保留。此外，该基于DEA的驱动体系在收到外力冲击，如石子下坠，锤子敲击时依然可以保持工作。

图5.出色的自修复特性

总结：本文报道了一种通过开发全环境稳定的离子电极材料实现的DEA驱动的两栖软体机器人。通过合理设计电极材料的分子结构，实现了稳定的水-电极界面，并有效延长了设备的使用寿命。该文证明，即使在高电压（约为千伏）下，引入协同离子-偶极相互作用也可以抑制离子渗透并提高设备的稳定性。作者进一步对基于合成的离子导体电极组装的DEA软体机器人高环境适应性，自修复特性等一系列特点进行了详细的展示。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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