[发明专利]基于介电效应的电致变形装置及其制作方法

说明书

本发明提供一种基于介电效应的电致变形装置及其制作方法，电致变形装置包括载体层(13)和复合层(F)，所述复合层(F)附着于所述载体层(13)，所述复合层(F)包括三层结构，依次为电极层(11)、介电材料层(12)和电极层(11)，所述电极层(11)由导体制成，所述介电材料层(12)由具有介电性能的材料制成，当所述装置未通电时，所述载体层(13)呈螺旋形，当给所述装置通电后，所述装置能发生扭转。根据本发明的电致变形装置，其结构简单且能实现扭转和/或弯曲变形。根据发明的电致变形装置的制备方法，其工艺简单、可操作性强。

技术领域

本发明涉及促动器(也称致动器)领域，更具体地涉及一种基于介电效应的电致变形装置及其制作方法。

背景技术

促动器能在受到外界刺激的情况下发生结构重构，进而带动与促动器相连的连接部件运动。促动器在仿生、机器人、生医器件、微机电系统、点阵材料等领域具有广泛的应用。

根据外界刺激的不同，可将促动器分为热致促动器、光致促动器、化学促动器、电致促动器、磁致促动器、气压/液压促动器等类型。其中，热致促动器反应时间较慢(约十几秒到十几分钟)；光致促动器的材料成分不稳定；化学促动器对环境变化敏感，且多依赖于液体环境；磁致促动器在细微观尺度下驱动力很小(驱动力与尺寸的三次方成正比)；气压/液压促动器尺寸较大，很难应用于细微观领域。

电致促动器具有响应快、成分稳定、驱动力和变形大、适用尺度大等优点，因此具有广泛的应用前景。当前的电致促动器多基于介电效应或压电效应而实现变形。

介电效应表现为，介电材料(如介电弹性体等)在两端通电压时会发生膨胀，撤去电压后材料恢复原状。利用介电效应制备的促动器，能实现某一结构的膨胀、收缩和弯曲变形。

例如在文献1中，使用介电材料制成球状薄膜，当给该球状薄膜两端施加电压时，球体会发生膨胀；而当电压减小时，球体会收缩。

又例如在文献2中，通过预拉伸介电弹性体，再在上面贴上三角形的框架，截取框架尺寸的介电弹性体并释放预应力，可以形成一个收拢的复杂结构。当对介电弹性体通电时，该收拢的结构可以张开并抓取物体。或者在中空的介电弹性体中灌入水凝胶并通电，可以实现结构的弯曲变形。以该结构作为仿生鱼的两个鱼鳍，可以通过鱼鳍的往复摆动实现仿生鱼的向前游动。

然而，在上述应用中，由介电材料制成的结构体(也称电致变形装置)，仅能实现结构体的膨胀、收缩和弯曲的变形，不能实现结构体的扭转变形。而在仿生、机器人等领域，促动器的扭转变形具有重要应用，例如可以被应用于人工肌肉等。因此，如何提供一种能实现扭转变形的基于介电效应的电致变形装置是本领域亟待解决的问题。

引用文献列表

文献1：Wu Y,Yim JK,Liang J,et al.Insect-scale fast moving andultrarobust soft robot.Science Robotics,2019,4(32):eaax1594.

文献2：Kofod G,Wirges W,Paajanen M,et al.Energy minimization for self-organized structure formation and actuation.Applied Physics Letters,2007,90(8):081916.

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种能实现扭转变形的基于介电效应的电致变形装置及其制作方法。

根据本发明的第一方面，提供一种基于介电效应的电致变形装置，其包括载体层和复合层，所述复合层附着于所述载体层，其中，

所述复合层包括三层结构，依次为电极层、介电材料层和电极层，所述电极层由导体制成，所述介电材料层由具有介电性能的材料制成，