北京时间2022年7月8日，国际著名期刊Science在线发表了题为《A Processable, High-performance Dielectric Elastomer and Multilayering Process（一种可加工的高性能介电弹性体和多层工艺）》的研究论文。论文第一作者石烨博士现为浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）研究员，通讯作者为加州大学洛杉矶分校（UCLA）裴启兵教授。该文报道了新型高性能介电弹性体材料的合成以及叠层器件制备新工艺（图1）。

▲ 图1. 介电弹性体人工肌肉材料示意图

介电弹性体（dielectric elastomer，DE）拥有形变大、能量密度高、响应速度快等优势，从而作为人工肌肉材料被广泛研究和应用。介电弹性体致动器（dielectric elastomer actuator，DEA）由介电弹性体薄膜和上下两层可拉伸电极构成。在施加电压后，电极间由于静电作用产生Maxwell应力，从而挤压弹性体薄膜产生驱动应变。然而由3M公司生产的VHB胶带和硅橡胶作为目前最常见的两类介电弹性体材料，均存在各自的缺陷。VHB由于高粘弹损耗在较高频率下性能损失巨大，而硅橡胶的最大形变和介电强度均较小。此外，传统介电弹性体容易发生电力学失稳（electromechanical instability，EMI），在驱动电压下持续形变，导致损坏。解决EMI的一种传统方法是对弹性体薄膜进行预拉伸，然而预拉伸之后的材料需要固定在坚硬的框架上，可加工性大大降低。

针对以上问题，石烨博士等人合成了一种新型高性能介电弹性体（PHDE），这种材料就像 “如意金箍棒”一样在电刺激下能屈能伸。他们通过采用链长显著不同的两种交联剂，合成了具有双峰分布的弹性体网络（图2）。这种材料起初很软，能被轻松挤压达到较高的驱动应变。而在达到临界应变后，它由于网络中的短链受到应力作用而迅速变硬，从而能够抵抗Maxwell应力，抑制EMI，提高稳定性。此外，石烨博士等人在弹性体网络中额外引入少量的氢键，降低了材料的粘弹损耗，使其响应地更快。PHDE在无需预拉伸的情况下达到了190%的最大面积应变，而且在2Hz频率下仍能保持110%的应变。相应的，测量得到的PHDE的能量密度高达88J/kg，功率密度能达到600W/kg以上。对比而言，生物肌肉的能量密度在0.4到40 J/kg的范围内，而其功率密度通常低于100W/kg。

▲ 图2. PHDE具有双峰网络分布，在在无需预拉伸的情况下达到了190%的最大面积应变，而且在2Hz频率下仍能保持110%的应变。

为了提升DEA的总体能量和功率输出，石烨博士等人进一步开发了一种干叠法工艺，制备叠层DEA（图3）。相比传统的湿叠法，该方法具有效率高、可大面积生产、良率高、性能损失小等优势。通过干叠法制备得到的10层DEA在2Hz驱动频率下能达到110%的面积应变，在20Hz下仍能保持60%的应变。基于高性能叠层DEA，石烨博士等人成功制造了蜘蛛型致动器和多功能管状致动器（图4），展现了PHDE及其叠层器件在柔性机器人、生物医疗器件、可穿戴器件等众多领域的广泛应用前景。

▲ 图3. 通过新型干叠法工艺制备得到的叠层DEA。

▲ 图4. 基于PHDE叠层DEA的蜘蛛型致动器和多功能管状致动器。

该论文第一完成单位为加州大学洛杉矶分校（UCLA），第二完成单位为浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）。此外加州SRI International公司为第三完成单位。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0099