没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
工程7(2021)581研究绿色化工:软物质用于电动执行器和传感器的离子弹性体冯晨润a,b,#,C.P.Hemantha Rajapakshac,#,Antal Jáklia,b,c,a材料科学研究生课程,肯特州立大学,肯特,OH 44242,美国b肯特州立大学先进材料和液晶研究所,肯特,OH 44242,美国c物理系,肯特州立大学,肯特,OH 44242,美国阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2020年2020年12月2日修订2021年2月8日接受2021年4月18日网上发售保留字:软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A B S T R A C T在过去的几十年里,离子导电聚合物和弹性体因其在电池、电活性软机器人和传感器中的先进功能具有分散的软离子部分(例如离子液体)的可拉伸离子弹性体已经对基于离子弹性体的应变、压力和剪切传感器进行了相当多的研究;然而,据我们所知,这项研究尚未得到审查。本文综述了工程化离子弹性体致动器和传感器的材料和性能特点。首先,我们回顾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,并为未来的致动器,如自适应四维(4D)打印系统和离子液晶弹性体(iLCEs)提供了前景。接下来,我们回顾离子弹性体应变和压力传感器的最新技术。我们还讨论了未来用于生物力学应用和运动性能跟踪的可穿戴应变传感器。最后,我们提出了初步的结果,iLCE传感器的基础上挠曲电信号和放大,将它们与有机电化学晶体管。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版,高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。1. 介绍致动器和传感器将一种形式的能量转换为另一种合适形式的能量,其可以是机械的、热的、电的、光的或磁的[1响应的材料(即,通过改变形状或尺寸)对外部刺激,如电场[11-对于可以容易地操纵和适于计算控制的设备应用在这篇综述中,我们将集中于将电信号转换为机械响应的机电致动器(即,应变,压力)和转换机械信号的传感器(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)。具体来说,我们将集中讨论具有低杨氏模量和低弹性模量的橡胶类聚合物(所谓的弹性体)*通讯作者。电子邮件地址:ajakli@kent.edu(A. Jákli)。#这些作者对这项工作做出了同样的高破坏应变,使得它们将柔软性与弹性结合;也就是说,它们是可逆变形的。我们还将重点介绍液晶弹性体(LCE)的最新成果,它将液晶(LC)介晶的取向顺序与聚合物网络的软弹性相结合。LCE可以响应各种外部刺激而变形,例如光[33],热[34]和电场[35]。基于介电弹性体[36,37]、铁电聚合物[38]和LCE[39,40]的电绝缘机电换能器由于其重量轻、制造简单且廉价以及高耐腐蚀性[41弹性体和离子实体的组合具有独特和引人注目的特性,为用于人体运动监测[45-48]、软机器人[49-52]、健康监测[51]、假肢[51]和智能服装[47]的柔性/可穿戴传感器和致动器提供了令人印象深刻的候选者聚合物离子导体作为导电电极和电解质已经开发了多年[50],其中设备结合了移动离子和电子。在最近的离子电子学中,对高导电离子弹性体的快速需求提供了大量的材料选择,例如光/电材料。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.0142095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engC. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581582~.Σ热交联的离子传导弹性体和不同尺寸的有机/无机离子[53离子电活性聚合物(iEAP)和弹性体(iEAE)利用离子传输来促进具有低电压操作和大响应信号的机电耦合,其在电池、电活性软机器人和传感器中的先进功能引起了广泛关注[57]。具有不同尺寸的负离子和正离子在相反方向上的移动(在施加的局部电场中或由于弯曲变形)可以产生用于能量收集的电容或将电能转换成机械变形。这种机电耦合机制已经在天然弹性系统中发现,例如电鳗和鱿鱼的神经肌肉活动,其将形状变形转化为电信号用于感测,并且相反地,使用电信号驱动肌肉。我们从自然系统中学到的知识开始用于软机器人[58-熔点低于室温的盐(称为离子液体(IL))通常由大体积有机阳离子和较小的无机/有机阴离子组成,是iEAE的合适离子组分它们的高导电性、低毒性、宽电化学窗口、光学透明性、低挥发性、高热稳定性和良好的电化学稳定性[63此外,它们对皮肤和眼睛无刺激性、无致敏性和无致突变性。通过改变阳离子和阴离子的组合,可以在一定程度上调节这些性质[74,75]。主体弹性体与三维(3D)打印技术[76-对基于离子弹性体的应变[47,48,51,52,85]、压力[48,86然而,对离子弹性体的研究的评论很少[91在第二节中,我们回顾了三 种 类 型 的 离 子 弹 性 体 致 动 器 : 离 子 聚 合 物 金 属 复 合 材 料(IPMC),离子导电聚合物(ICP),和离子聚合物/碳纳米复合材料(IPCN)。在该部分的最后,我们提供了未来致动器的前景,例如自适应四维(4D)打印系统和离子液晶弹性体(iLCE)。第3节专门介绍离子弹性体应变和压力传感器。我们还讨论了未来可穿戴应变传感器的生物力学应用和运动性能跟踪。在第3节的最后,我们提出了基于挠曲电信号的iLCE传感器的初步结果,并通过将它们与有机电化学晶体管(OECTs)集成来放大它们最后,我们提供了一个简短的总结,说明了行动,感知和适应之间的相互作用,这将是未来离子弹性体致动器和传感器的组成部分2. 离子弹性体执行器典型的离子弹性体致动器系统由夹在两个反电极之间的具有不同大小的阳离子和阴离子的弹性体电解质组成[15]。在该系统中,即使是弱的低频或直流(DC)电场也会导致离子在相反方向上的漂移,导致较大(较小)离子移动到的一侧的膨胀(压缩),并导致薄离子弹性体膜的相当大的弯曲由于双向和低电压驱动,离子弹性体致动器正被考虑用于软机器人、空间探索以及海军和生物医学应用。施加电压尺寸无关的应变(e),年龄可以通过e/2 ×2 × dw/2= L2×d2[95,96]计算,其中d是水平方向上的尖端位移,L是长度,w是膜的厚度这些参数表征了离子弹性体致动器的性能是应变,应力,频率范围(带宽)和电致动的安全操作窗口。这些参数主要取决于离子弹性体电解质的离子电导率、离子交换容量、电化学和机械稳定性,以及电极材料的电导率、电化学稳定性、对于器件应用,电极和电解质材料的工程设计及其兼容性是限制因素。2.1. 离子弹性体驱动器的材料设计与离子弹性体交联的基础聚合物的化学结构如图所示. 1.一、离子弹性体的低电压驱动首先由Tanaka等人[97]研究,使用聚(丙烯酸)凝胶作为基础聚合物,在水性溶剂环境中溶胀。由于其高离子电导率(10- 1 S研究发现,在弹性体网络内部形成的离子-水纳米簇或通道可以促进离子传输。然而,后弛豫和短循环寿命限制了致动性能。嵌段共聚物,如聚(叔丁基-苯乙烯)-b-(乙烯-r-丙烯)-b-(苯乙烯-r-苯乙烯磺酸盐)-b-(乙烯-r-丙烯)-b-(叔丁基-苯乙烯))(tBS-EP-SS-EP-tBS; SSPB)五嵌段共聚物(图1(c))[101],聚(丙烯酸)(PAA)-共-聚(丙烯腈)( PAN ) ( 图 1 ( c ) ) [102] , 1 ( d ) ) [102] 和 聚偏 氟乙 烯(PVDF)-共-六氟丙烯(HFP)(图 1(e))[103],其具有可控的相分离纳米结构,用作离子交换膜以增强弹性体内离子的迁移率并减少回驰。对于气动执行器,通常需要具有稳定的电化学性能和低挥发性的离子液体合适的IL的实例包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓(EMI)四氟硼酸盐(BF 4)(EMI-BF 4)、EMI双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(TFSI)(EMI-TFSI)、1-丁基-3-甲基咪唑鎓(BMI)-BF 4、1-己基-3-甲基咪唑鎓(HMI)-BF 4、1-辛基-3-甲基咪唑鎓(OMI)-BF4和HMI六氟磷酸盐(PF 6)(HMI-PF 6)(图1A)。[104-106]。由于有机离子的大分子半径,当分散在弹性体中时,它们的离子迁移率差。为了提高致动幅度和阻挡力,上述嵌段共聚物已经与两性离子3-(1-甲基-3-咪唑鎓)丙磺酸盐(ZImS)(图1(g))[16]、单壁碳纳米管(SWCNT)[107,108](图1(h))、埃洛石纳米粘土(HNC)[102]、二氧化硅纳米粉末[109]或层状磺化蒙脱土(s-MMT)[110]整合,以改善弹性体膜的离子传输和机械强度。此外,已经合成了聚(离子液体)/离聚物,例如环氧乙烷(EO)或烃(HC)交联剂束缚的咪唑鎓阳离子或TFSI阴离子[111,112],以及咪唑掺杂的聚苯乙烯磺酸盐(PSS)-b-聚甲基丁烯(PMB)(图1(i)),其具有穿过膜的垂直自组装六边形离子通道[16],以改善IL基弹性体的离子电导率[113]。C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581583图1.一、用于离子电活性弹性体的典型离子弹性体材料的化学结构(a)Nafion和(b)聚环氧乙烷(PEO)是离子弹性体最广泛使用的基础聚合物,(c)聚((叔丁基-苯乙烯)-b-(乙烯-r-丙烯)-b-(苯乙烯-r-苯乙烯磺酸盐)-b-(乙烯-r-丙烯)-b-(叔丁基-苯乙烯))(tBS-EP-SS-EP-tBS; SSPB)、(d)聚(丙烯酸)-共-聚(丙烯腈)(PAA-co-PAN)和(e)聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯(PVDF-co-HFP)是用于离子弹性体的嵌段共聚物。部分(f)总结了离子弹性体中使用的大多数IL(EMI:1-乙基-3-甲基咪唑; BF4:四氟硼酸盐; BMI:1-丁基-3-甲基咪唑; HMI:1-己基-3-甲基咪唑; OMI:1-辛基-3-甲基咪唑; TFSI:双(三氟甲基-亚磺酰基)酰亚胺; PF6:六氟磷酸盐)。(g)两性离子3-(1-甲基-3-咪唑)丙磺酸盐(ZImS)和(h)单壁碳纳米管(i)聚苯乙烯磺酸盐-b-聚甲基丁烯;(PSS-b-PMB)是在离子弹性体中与离子基团自组装的嵌段共聚物;(j)羧化细菌纤维素(CBC)是用于离子弹性体的生物材料之一;(k)聚乙烯(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和(l)丁腈橡胶(h)SWCNT、(k)PEDOT:PSS和(m)石墨烯是用于离子弹性体的电极材料的实例;(n)热塑性聚氨酯(TPU)是用于离子弹性体的常见橡胶材料;及(o)4─(6-丙烯酰氧基-己-1-基-氧基)苯基-4-(己氧基)苯甲酸酯(M1)和(p)1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯)(M2)是用于离子弹性体的液晶单体。C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581584~~对于生物医学/可生物降解的应用,纤维素-[114]和壳聚糖基[115]生物材料,如羧化细菌纤维素(CBC)纳米纤维网络(图1)。 1(j)),并表现出良好的离子传导性和生物相容性。为了增加软弹性体和电极之间的相容性,将电极与离子弹性体集成,例如通过聚合3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)(图1)。 1(k))与聚环氧乙烷(PEO)/丁腈橡胶(NBR)互穿聚合物网络(IPN)(PEO/NBR-IPN)[116,117],如图11和12所示。1(b)和(l)。各种各样的电极可用于将电场施加到离子弹性体上,包括金属、导 电 聚 合 物 ( CP ) ( 例 如 , 聚 ( 3 , 4- 亚 乙 基 二 氧 噻 吩 )( PEDOT ) : PSS; 参见 图 1B 。 1 ( k ) )和 纳米 碳( 例如 ,SWCNT和石墨烯;参见图1A和1B。 1(h)和(m))。对致动的速度和幅度的要求将根据致动器装置的目的而不同;因此,近来已经设计了许多先进的电极和离子弹性体膜材料,并将其组装在一起用于各种离子弹性体电致动器应用。 目前的离子弹性体致动器可以分为三个主要类别:IPMC,ICP和IPCN。2.2. 离子聚合物金属复合致动器自20世纪90年代以来,使用夹在两个金属电极之间的离子弹性体膜的IPMC一直是最广泛使用的离子弹性体致动器类型之一[118]。当在弹性体上施加小电场(每毫米几伏)时,存储在膜内的不同尺寸的离子或离子簇将从一侧移动到另一侧,导致致动器弯曲(因为一侧的体积膨胀比另一侧大)[119,120]。最初,由于其良好的离子渗透性(0.1S/cm-1),使用含有阴离子磺酸盐和羧酸盐基团[123,124] 的水性离子 弹性体膜,如 Nafion[121] 和 Flemion[122] ,为IPMC提供快速响应[125]。这些离子弹性体在电解质溶液中或在溶胀状态下工作,其中固定的阴离子基团产生纳米通道作为碱金属/氨基阳离子(H+、Li+、Na+、K+、BMI+)与水簇在内部移动的通道[98,99],如图2(a)所示。对具有不同阳离子-水簇的Pt-Nafion致动器的实验然而,致动器中的水泄漏和蒸发以及带有金属电极的水性电解质的电化学稳定性差导致工作密度/力有限、回驰和空气操作中的腐蚀[105,126,127]。一种制造具有稳定空气性能的这种方法包括使用疏水离子液体,如EMI-BF 4、EMI-TFSI、BMI-BF4、HMI-BF 4、OMI-BF 4等(图11)。 1(f))[104- 106]106,128]。然而,由于在干燥条件下离子电导率不足,疏水性IL基IPMC的致动响应为了增强离子迁移和IPMC产生的力,自组装嵌段共聚物-IL复合膜,如磺化聚(苯乙烯- b -乙烯-共-丁烯- b -苯乙烯)(SSEBS)[129]、PAA-共-PAN [102]和PVDF-共-HFP [104],[103],以通过可控的相分离在弹性体网络内部形成纳米结构的离子通道[120]。此外,已经引入了各种阳离子和阴离子辐射接枝的离子交换膜,例如具有单离子致动的咪唑钥系留三嵌段共聚物[130],以增强致动幅度和响应时间,并消除反弛豫[131]。图2(c)[101]示出了新型五嵌段共聚物(SSBP)内部的相分离的离子和非离子区域,[110]纳米复合材料。微相分离的形态学,与受控的离子通道内的弹性体几十纳米宽,增加了IL的摄取量和离子导电性的两倍以上的Nafion/ILs-MMT与溶剂化离子之间的额外相互作用产生了更宽的离子通道用于质量传递,并将弹性模量提高到89 MPa。当在空气中工作时,该致动器在2V的直流电压下表现出约1.2%的大弯曲应变,而没有任何回弛豫持续10分钟。致动的程度不仅取决于所使用的聚合物和抗衡离子的类型,而且还取决于沉积在离子弹性体膜上的金属电极的质量、厚度和活性表面积。第一代IPMC在电解质膜的两侧使用化学沉积的铂电极[120,132,133]。后来,通过物理和化学沉积方法制备了其他类型的惰性和柔性金属电极,如铜、钯、银和金[134,135]。金属电极具有低的表面电阻和高的电流密度,导致更快的致动(0.1 s)和更大的弯曲应变(>3%)[136]。然而,电极和离子弹性体膜之间界面的相容性差可能导致电极分层、疲劳和破裂,这与IPMC致动器的稳定性能相反[55,124,137]。界面区域可以通过具有各种尺寸、形状和表面粗糙度的金属纳米颗粒来优化,以增强金属电极的电荷积累和粘附[138Yan等人[102]引入了超声团簇束注入(SCBI)[142],在具有高电导率和拉伸性的离子弹性体膜表面下方数十纳米处植入约100 nm厚的团簇组装电极(图1和2)。3(a)-(c))。在这种情况下,离子弹性体电解质由与HNC[143]共混的PAA-共-PAN(图1(d))网络以及四乙基铵阳离子(TEA+)和乙二醇二甲基丙烯酸酯交联剂制成。在致动器系统中添加额外的IL EMI-BF4作为TEA+的传输介质,最大致动应变在5V下增加到1.04%(图3(d))。由于金纳米团簇电极具有良好的粘附性和足够的相互作用面积,致动器响应高达10 Hz,并在2 V和1 Hz下进行了76 000次循环,而没有回弛豫或电极裂纹。具有适当编程和工程设计的IPMC是飞行/爬行机器人[144-147]、仿生机器鱼[148,149]和具有多自由度操纵器的人工关节[150]的扑翼致动器的有前途的候选者表1[98,1002.3. 离子导电聚合物致动器共轭聚合物如聚吡咯(PPy)[151]、聚苯胺(PANI)[152]、聚噻吩(PT)[153]和PEDOT:PSS[154,155]既可用作电极,也可用作体积变化的块状弹性体致动器。这些共轭聚合物如果掺杂有离子则是导电的,如果不掺杂则是半导体的[156,157]。CP可以是带负电荷的(n掺杂),其中电子被插入或带正电荷的(p掺杂),其中电子被提取。当施加小电势(0-30 V)时,来自电解质的阳离子或阴离子移动到p-掺杂(或n-掺杂)CP链中,引起本体体积膨胀。如果电场的方向相反,CP将随着离子的移动而收缩,如图4(a)所示[41]。线性和对称的体积变化,应变高达40%,可以设计为致动器(图4(b)部分C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581585(i) 和(ii)),如空心管[116]、纺织品和纤维[158]。然而,操作大体积CP致动器通常需要反电极和周围的电解质溶液。由夹在两个CP层之间的离子弹性体膜组成的三层致动器更容易制造,能够在干燥和潮湿条件下操作,并且执行一个电极膨胀而另一个电极收缩当电压施加在膜上时(图4(b)部分(iii)和(iv))。在各种CP中,溶液处理的PEDOT:PSS(图 1(k))已经商业化。它在空气中稳定,易于通过喷墨或3D打印沉积[159,160]。但是,它有很多局限性,例如,由于导电性差,响应慢,并且由于电容小,应变和应力弱,导致弱图二、几种IPMC执行器的性能说明(a)Pt-Nafion基IPMC致动器的结构(左)和弯曲机构(右)示意图蓝色区域是由Nafion离子弹性体内部的水离子缔合形成的纳米簇(b)Pt-Nafion致动器内不同大小的阳离子及其对性能的影响(c)使用嵌段共聚物(SSPB)和s-MMT来增强弹性体膜内的离子迁移和体积膨胀以及其在5V下的弯曲性能的(b)复制自Ref。[100]经Elsevier B.V.许可©2020;(c) 转载自Ref。[101]经英国皇家化学学会许可,©2013。C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581586机电耦合效率研究表明,离子液体的存在可以增强阴极保护电极的导电性和柔性[161]。最初,为了提高离子电导率,在CP和离子弹性体隔膜之间涂覆金属层[162];然而,CP和金属之间的分层限制了性能和寿命。代替额外的金属图三. PAA-共PAN基IPMC致动器,具有金(Au)电极。(a)将金纳米团簇组装电极植入离子弹性体膜中的装置的图示。(b)致动器横截面的扫描电子显微镜视图(c)金电极表面的纳米形态(d)致动器弯曲变形的图片复制自Ref。[102]经Wiley-VCH Verlag GmbH Co.许可,KGaA,©2017.表1所选IPMC执行器的最重要参数汇总3 4MWCNT:多壁碳纳米管。NR的意思是弹性体Nafion/FlemionPAA-共-PAN/HNCSSPB/s-MMTNafion/MWCNT电极PTAu纳米团簇PTPT阳离子H+、K+、Na+、Li+TEA+,EMI+人机界面+H+阴离子聚合SOBFTFSI3电压(V)<5.05.02.0 4.5应变> 1.50%百分之一点零四1.20% 8°阻滞力(mN)0.05(K+)NRNR 2.95-14.10响应时间(s)0.01-0.10.1NR NR耐久性(循环)低76 000NR NR背部松弛是的没有否是弹性模量(MPa)70.000.354.10 NR引用【98,100,122】[一百零二][101][108]第一章C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581587~~~×图四、ICP执行器示意图(a)p掺杂CP的致动机制(b)CP致动器的不同类型变形:(i)体积膨胀和压缩;(ii) 线性伸长和收缩;(iii)潮湿条件下的弯曲致动;和(iv)空气中的弯曲致动为了提高导电性和各向异性机械强度,在CP电极中分散纳米材料如银(Ag)纳米线[163]或碳纳米管(CNT)(图1(h))。Wang等人[155]报道了一种基于多壁碳纳米管(MWCNT)分散的PEDOT:PSS(M-PEDOT:PSS)电极的高性能CP致动器,如图所示。 5(a).多壁碳纳米管插入PEDOT和PSS聚合物链之间,并通过氢键和p-p堆叠沿PSS链排列。所得的M-PEDOT:PSS电极的多孔结构提高了离子存储容量(100F·g-1),电导率(150 S/cm-1)和机械强度(1GPa),所有这些都是用纯PEDOT : PSS 电 极获 得 的 那些 的 数倍 。 将 使 用热 塑 性聚 氨 酯(TPU)、EMI-BF 4IL和M-PEDOT:PSS电极的离子弹性体致动器的性能与具有图1中的PEDOT:PSS电极的相同弹性体的性能进行比较。 5(b)[164]. 该驱动器在2.5V电压下可实现0.64%的峰值驱动应变和1.43mN的阻断力,在1Hz频率下的寿命可达1×105次为了减少分层,在共轭聚合物电极和离子弹性体之间施加额外的界面聚合物层[165]。如图5(c)所示,通过将离子导电性PEO基IPN与PEDOT电极[166PEO/NBR的相分离纳米结构(图1A和1B)显示出了不同的结构。 1(b)和(l))IPN膜具有高离子电导率(高达10由于致动器的弯曲应变和机械强度可以通过添加不同量的聚苯乙烯(PS)组分来调节,因此IPN致动器可以被设计成用于血管和神经元的管状手术导管[169],以及用于织物致动器的线性和弯曲纤维[170,171]。这些IPN致动器的致动能力高达1kHz[172],可用作飞行机器人的翅膀(图5(d))[164]。使用生物相容性和生物可降解材料的CP致动器适用于折纸应用和生物医学微型机器人;例如,具有PEDOT:PSS电极的多孔细菌纤维素(BC)膜[114,173]和具有PPy或PANI电极的纤维素纸[174]表现出快速响应,无回驰,良好的机械强度和大的弯曲变形。由于共轭聚合物的掺杂对电极的颜色、机械性能、电导率、体积和孔隙率有直接影响,因此CP致动器具有广泛的应用,例如线性/弯曲纤维、隔膜/微型泵、发光二极管、游泳机器人、药物输送、有源导管、透镜、电池、超级电容器、电致变色器件、选择性膜、盲文显示器、微电子、传感器等[175,176]。表2[114,155,162,167,172]总结了离子CP致动器的最重要特性。C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581588图五、CP执行器的图示(a)±2.5 V下的弯曲驱动性能(b)通过热压夹在MWCNT分散的PEDOT:PSS(M-PEDOT:PSS)电极之间的TPU:EMI-BF4离子弹性体在不同频率下的弯曲应变插图:阻断力的时间依赖性(c)示意性纳米结构和(d) 作为基于PEO的三层IPN致动器的仿生振动翼的应用(a)复制自Ref。[155]经英国皇家化学学会许可©2017;(d)经Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA许可,转载自参考文献[164]&,©2019。2.4. 离子聚合物/碳纳米复合材料驱动器非金属纳米材料如CNT[115,177]、石墨烯[178这些纳米粉末价格低廉(目前石墨烯为100美元/千克与金或铂相比,易于通过浇铸或自组装涂覆到离子弹性体上,并形成具有高比表面积和稳定性的非常柔顺的电极[182]。第一个IPCN致动器是由SWCNT电极、IL和基础弹性体组成的巴基凝胶致动器[128,183CNT电极被分散到离子弹性体中或直接分散到离子弹性体中。C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581589×表2所选ICP执行器的最重要参数汇总4 6NFN:纳米纤维网络; TBA:四丁基铵。沉积到表面上以组装三层型致动器[186Kim等人[16]使用六方纳米结构的PSS-b-PMB嵌段共聚物(图1(i))证明了快速切换巴基凝胶致动器,其中咪唑鎓阳离子键合为单离子致动弹性体。利用额外的两性离子ZImS(图1(g))来改善阳离子传输,致动器可以以几倍大的应变(1.8%,在±3 V下)弯曲,并且具有比基于PVDF-共-HFP/Nafion的巴基凝胶致动器的响应快约100倍(20 ms)。在具有碳基电极的离子弹性体致动器中,弯曲归因于向CNT阴极和阳极的不对称电荷注入;因此,电极的容量和电导率是弯曲应变/应力和响应时间的关键因素。为了增加电荷载体和活性表面积,在电极中使用了具有多孔结构的各种纳米碳,例如碳化物衍生的碳[189此外,可以通过将纳米颗粒添加剂,如介孔二氧化硅(MCM)、PANI和炭黑添加到具有大应变(1.9%,±2V)和强度(8.8 MPa)的CNT基巴基凝胶中来增加电极层的容量[196]。但是,纳米碳材料的导电性低于金属电极,通常需要金属背衬来提升导电性[175]。垂直排列(VA)SWCNT电极[177,197]可以通过化学气相沉积(CVD)[188]直接沉积到离子弹性体层上。由于在致动器中通过VA-CNT通道的连续路径而产生的高电导率、快速离子传导和强弹性模量,使弯曲应变提高了8%以上,并且使致动速度提高了20%。到10%应变每秒下的电压为4 V。后来,一些分级纳米结构的碳纳米管-设计电极是为了提高IPCN致动器的性能[115,198]。Wu等人[199]制备了分级的基于黑磷(BP)的CNT作为基于PVDF-共-HFP(图1(e))的三层致动器的电极电极具有有序的层状结构,具有大的相互作用面积和电容,可实现平稳的离子传输,如图6(a)[199]所示。BP-CNT分层电极的增强容量产生了约2%的峰-峰弯曲应变,具有高达20 Hz的快速响应(图1)。 6(b))。具有适当工程设计的致动器可用作振动翼或人工抓取手。二维(2D)材料,如具有嵌入离子和良好排列结构的石墨烯纳米片(图1(m)),表现出比CNT电极更大的表面积,透明度和体积膨胀(> 700%),尽管石墨烯层的重新堆叠降低了寿命[103]。Lu等人[200]将Ag纳米颗粒掺杂到还原的氧化石墨烯(rGO)中,以增强双极的导电性和对准稳定性,从而产生高频弯曲致动器。最近,离子交联的MXene(过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的2D层)已被用作具有高导电性和容量的电极。使用具有有序分层结构的Ti3 C2 Tx-所得到的致动器表现出亚秒级的上升时间和高达1.37%的应变峰-峰弯曲在1 V高达20 Hz,良好的灵活性,并在高达18 000个周期的稳定性没有分层。图6(d)示出了由Ti3 C2 Tx-PP碳纳米复合材料也可以分散到离子弹性体中,以产生可调刚度和增加的离子电导率[107,202]。制备了一种与富含CNT的导电弹性体互穿的3D大孔网络[203],由于纳米碳材料的低成本、柔性、透明性和重量轻,IPCN致动器在仿生微机器人、蠕动式微型泵、有源微导管、触觉显示器、盲文显示器和移动透镜中具有潜在的应用[204]。表3[16,103,128,199,201]总结了IPCN致动器的最重要特性表4总结了三类离子弹性体致动器的优点和缺点2.5. 机电作动器用离子弹性体的前景离子弹性体软致动器在软机器人、生物医学工程、微操纵器、流量控制等方面具有理想的应用[146,205,206]。目前的离子弹性体致动器受到其响应慢、致动弱、需要图案化电极以实现复杂形状以及缺乏多功能性的限制解决这些问题不仅需要新型的智能结构材料,还需要先进的制造技术、可编程控制和工程设计。尽管独立电极电路的集成对于离子弹性体致动器来说具有挑战性,但新兴的3D打印技术为制造具有复杂结构和高分辨率的软材料提供了一种新方法,可以实现快速原型制作,定制设计和一步生产[160]。随着时间的推移具有刺激响应致动的3D打印结构作为新的维度被称为4D打印致动器[207]。通过精确的工程设计和数学建模,可以根据反应参数对具有设计路线和任务的多轴驱动进行编程[208]。与3D打印传感器集成的4D打印致动器可以通过控制器和建模系统弹性体TPUPEO/NBR-IPNPVDFCBC-NFN电极PEDOT:PSS/MWCNTsPEDOTPPy/PtPEDOT:PSS阳离子EMI+EMI+TBA+EMI+阴离子BFTFSIPFBF4电压(V)2.52.02.02.5应变(%)0.321.202.000.06阻滞力(mN)1.4330NRNR响应时间(s)0.10.00112耐久性(循环)100 000NR3 600360背部松弛没有没有NR没有弹性模量(MPa)7.7530.00NR44.26引用[155]【十六万七千一百七十二】[一百六十二][一百一十四]C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)5815904344图六、具有分级纳米结构碳电极的离子弹性体致动器(a)BP基CNT电极内部的结构和离子传输的示意图(b)在2.5V下的致动应变和电荷存储容量的时间依赖性,在插图中具有弯曲条的重叠图像。(c)离子交联Ti3 C2 Tx(d)用Ti 3C2Tx-PP(a,b)经Wiley-VCH Verlag GmbH Co.许可,从参考文献[199]KGaA,©2019;(c,d)转载自Ref.[201]经作者许可它可以学习刺激响应功能;因此,可以实现自适应4D打印系统,如图7(a)所示[209]。提供运动、曲率、湿度、光和温度的实时反馈的自感和多响应离子弹性体致动器[210,211]是环境控制自适应机器人的有希望的候选者。例如,具有轻重量、软变形和低功耗的离子弹性体致动器在航空航天中具有未来的应用-特别是在由人和环境控制的飞机机翼变形中,如图所示。 7(b)[212,213]。此外,在未来的软机器人操作中,具有高容量的离子弹性体可以自供电和无线控制对于软可穿戴机器人,人类活动参与的交互可以定量地通过将智能离子弹性体致动器与机器学习相结合,评估和编程以辅助和模仿人类行为(图7(c))[214]。在未来,生物相容性离子弹性体致动器可用于药物输送,手术,诊断成像和心脏辅助设备的微观生物医学机器人[215]。受离子弹性体致动器的低电压弯曲致动的启发,将具有不同大小和/或正负离子迁移率的1-己基-3-甲基咪唑鎓(HMIM)-PF 6的IL掺入到由4-(6-丙烯酰氧基-己-1-基-氧基)苯基-4-(己氧基)苯甲酸酯(Ml)和1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯)( M2 ) 光 聚合 的 LCE 网 络中 ( 图 1A 和 1B ) 。 1 ( o ) 和(p)),以实现第一个iLCE [73]。它表3所选IPCN执行器的性能总结。弹性体PVDF-共-HFP PSS-b-PMB/ZImS PVDF-共-HFP Nafion PVDF-共-HFP电极SWCNT/PVDF-co-HFP SWCNT BP-CNTs Ti3 C2 Tx阴离子BF聚合SOBFBFTFSI电压(V)2.0 3.0 2.5 1.0 2.0应变(%)0.48,0.45,0.48,0.60 0.90 1.00 0.68 0.91阻塞力NR 0.3 mN at 1 V 6 mN 4.71 mN 0.2g(g= 9.8 m·s-1)响应时间(ms)100 100 50 50 10耐久性(循环)NR 20 000 500 000 18 000 NR背部放松不弹性模量(MPa)NR NR 246 667 310参考文献[128][16][199][201][103]C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581591¼ ðÞ表4总结了三类离子弹性体执行器的优缺点离子弹性体执行器优点缺点IPMC良好的水下操作(快速响应,大应变和应力)在空气/干燥条件下不稳定(电极腐蚀,反应慢)ICPs符合弹性特性,传感能力,多轴形状变化,在空气和水中IPCNs响应速度快,空气/干燥性能稳定,应变大,成本低,生物相容性好,透明,可微型化响应慢,弯曲应变小,弯曲力弱弯曲力图7.第一次会议。离子弹性体作动器之未来加工与应用(a)结合传感和致动功能的自适应4D打印软机器人的设计概念(b)飞机机翼变形中用于人与环境控制的智能致动器的未来设计(c)协助人类活动的人工智能执行器(a) 经作者许可,转载自参考文献[209],©2020;(b)经作者许可,转载自参考文献[212],©2020;(c)转载自参考文献[212],©2020。[214]经Nature许可; ©2018。证明了iLCE可以由甚至小于1 V的电压驱动,其弯曲应变与开发良好的iEAP相当。此外,iLCE表现出几种新颖和优越的特征,例如致动对LC指向矢取向的依赖性(图8)。通过在空间上改变各向异性LCE的对准,可以容易地对所产生的应变的取向和幅度进行预编程并精确地控制用于软机器人装置。具有混合排列的向列型LCE指向矢在一个衬底上平行于表面,在另一个衬底上垂直)是热活性的,并且由于膜的两侧上的各向异性热膨胀系数,已经实现了大的弯曲曲率[21,216,217]。因此,混合iLCE提供双(热和电)致动。LC材料的多响应性(例如,磁场和光响应)与目前的离子弹性体相比也提供了令人感兴趣的新应用。3. 用于机电传感器的机电传感器将机械变形转换为可测量的电学量,例如电流、电压、电阻或电容。机械变形可以是均匀应变(压缩和/或扩张),其可以描述为:在一些实施例中,应变梯度可以在数学上表示为Si/Dli=Ii/const(其中li是材料在一个方向上的长度,并且Dli是其变化),或者可以是具有应变梯度dSi= dxi挠曲引起的弯曲变形是不均匀应变的一种特殊情况。机电传感器可以由碳基材料[218机电弯曲传感器被广泛使用,是基本对于许多机器人应用[233]和测角手套[234];他们也设想用于人造皮肤应用[235]。今天大多数基于离子弹性体的应变和压力传感器是电阻式、电容式或挠曲离子式的。电阻技术使用电阻的测量:R¼ql=A,其中R、q、l和A 是电阻、电阻率、长度和介质的横截面积。 当发生机械变形时,这些量(q,l,A)中的任何一个或全部可能发生变化,从而导致电阻的变化(图10)。 9(a))。传感器的灵敏度或所谓的应变系数(GF)被定义为GFDR=eR0,其中DR、R0和e是电阻、初始(变形状态)电阻和应变的相对变化,C. Feng,C.P.H. Rajapaksha和A.亚克利工程7(2021)581592¼见图8。用(a)平面、(b)混合、(c)垂直和(d)各向同性排列证明iLCE的分子排列和弯曲性能。复制自Ref。[73]经Wiley-VCH Verlag GmbH Co.KGaA,©2019.分别在连续型传感器的情况下,使用低压交流(AC)信号来测量阻抗,而不是使用简单的DC电阻测量,以避免电化学反应[239]。尽管大多数基于拉伸的离子弹性体应变传感器由于其可靠性、简单的构造和容易的测量技术而为电阻式[84,240],但偶尔也报告了电容型离子弹性体应变传感器电容传
下载后可阅读完整内容,剩余1页未读,立即下载
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功