平面软体机器人腕部的非线性拓扑优化，用于补偿定位和角度误差

《Materials & Design》：Nonlinear topology optimization of a planar soft robotic wrist to compensate for positioning and angular errors

本研究开发了一种生物增强的PDMS/BaTiO3复合材料，利用椰枣叶纤维（DPLF）作为增强剂，在7.5 wt.%浓度时实现最大输出电压6 V、功率密度13 μW/cm2，并提升杨氏模量180%。通过长期疲劳测试（50万次循环）验证了材料的稳定性，能量转换效率达40.5%，无需电学极化。实验表明DPLF有效改善BaTiO3分散性，增强机械性能和介电响应，为可持续能源收集材料提供新方案。

　　在当前全球对可持续能源解决方案日益增长的需求背景下，研究者们正在积极探索能够从环境中收集能量的新型材料。这些材料不仅能够实现机械能向电能的高效转换，还具有环保、可再生和可降解等特性，为未来的绿色电子产品提供了重要支持。其中，压电材料因其独特的性能备受关注，它们能够在受到机械应力时产生极化电荷，从而形成电场，实现能量的转换与存储。在这一研究领域，压电材料的应用已从传统的陶瓷体系扩展到聚合物和半导体材料，以满足不同应用场景对材料性能的要求。

压电材料的性能与其结构密切相关，尤其是在复合材料中，填充物的选择和分布对整体性能有着决定性影响。为了提升压电材料的机械强度和能量收集效率，研究人员尝试引入天然纤维作为增强材料。其中，一种名为“DPLF”的日期棕榈叶纤维因其丰富的纤维素含量、可再生性和成本效益，成为一种极具潜力的生物增强材料。本研究聚焦于将DPLF纤维引入PDMS（聚二甲基硅氧烷）/BaTiO3（氧化钡钛）复合体系，以探索其对材料性能的提升作用，并验证其在可持续能量收集领域的应用潜力。

PDMS作为一种高弹性和可加工性材料，常用于柔性电子设备的制造。然而，它本身并不具备压电特性，因此需要通过引入压电陶瓷如BaTiO3来实现能量转换功能。BaTiO3是一种常见的无铅压电材料，具有较高的介电常数和良好的极化响应，这使得它在能量收集领域具有广泛的应用前景。通过将BaTiO3与PDMS结合，研究人员构建了一种兼具柔性和高效能量转换能力的复合材料。然而，为了进一步提高材料的机械性能和能量收集效率，研究者们尝试加入DPLF纤维，利用其天然的结构优势和高结晶性，对复合材料进行增强。

本研究通过溶液浇铸法，将不同浓度的DPLF纤维（0–10 wt.%）与BaTiO3陶瓷颗粒（15 wt.%）混合，并制备成复合薄膜。通过系统性的结构、机械、介电和压电性能测试，研究者发现DPLF纤维的加入显著改善了BaTiO3颗粒的分散性，从而提高了复合材料的整体性能。在最优的7.5 wt.% DPLF浓度下，压电发电机能够产生高达6 V的输出电压，达到13 μW/cm2的功率密度，同时其杨氏模量提升了180%。这些结果表明，DPLF的引入不仅增强了材料的机械强度，还提高了其在能量收集过程中的响应能力。

此外，研究还关注了DPLF对介电性能的影响。在低频范围内，DPLF含量的增加显著提升了复合材料的介电常数，这可能是由于纤维与PDMS以及BaTiO3之间的界面极化效应增强所致。随着频率的升高，介电常数逐渐趋于稳定，表明材料在高频下具备良好的能量存储和转换能力。在介电损耗和损耗角正切方面，DPLF含量越高，其值也相应增加，这与界面极化效应的增强密切相关。然而，这种损耗在高频下显著降低，说明材料在实际应用中能够保持较低的能量损耗，从而提高整体效率。

为了验证材料的压电性能，研究者采用了一种压电发电机装置，该装置由圆形复合薄膜（直径20 mm，厚度1 mm）和铜电极组成。通过线性致动器在10 Hz频率下施加2 N的力，研究团队对不同DPLF含量的复合材料进行了能量收集测试。结果显示，7.5 wt.% DPLF含量的复合材料表现出最佳的输出性能，其开路电压和电流响应显著优于其他浓度的材料。这一结果表明，DPLF的加入能够有效提升压电发电机的能量收集效率，并且其性能稳定性也得到了验证。

在实际应用测试中，研究团队利用7.5 wt.% DPLF增强的压电发电机，成功驱动了一款绿色LED灯。这一实验不仅验证了材料在低功率应用中的可行性，还展示了其在自供电电子设备中的潜力。此外，该研究还评估了压电发电机在长期循环载荷下的稳定性。通过50万次的疲劳测试，研究发现DPLF-BaTiO3/PDMS复合材料在长期使用中表现出优异的性能稳定性，其输出电压和功率密度仅略有下降，而传统BaTiO3/PDMS复合材料则表现出较大的性能退化。这表明DPLF纤维在增强机械性能的同时，也显著提高了材料的耐久性和长期使用可靠性。

本研究的另一个重要发现是，DPLF的引入使得压电发电机在无需电场极化的情况下仍能实现较高的能量转换效率。通常，压电材料需要经过电场极化才能发挥最佳性能，但该研究中，7.5 wt.% DPLF含量的复合材料在未极化状态下仍能达到40.5%的转换效率，这表明其内部结构和界面特性在机械能转换过程中起到了关键作用。这种无需极化的特性，为压电材料的简化制造流程和降低使用成本提供了新的思路。

在实验方法上，研究团队采用了多种先进的表征技术，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等，以全面分析复合材料的微观结构和性能变化。XRD分析结果显示，DPLF的加入并未改变BaTiO3的晶体结构，但其存在促进了BaTiO3颗粒在PDMS基体中的均匀分布，从而提高了材料的整体性能。FTIR光谱则进一步证实了DPLF与PDMS及BaTiO3之间的化学相互作用，特别是在低频区域，这种相互作用显著增强了材料的介电性能。

SEM图像则直观地展示了DPLF对BaTiO3颗粒分散性的改善。在7.5 wt.% DPLF含量的样品中，BaTiO3颗粒呈现出更均匀的分布，而未添加DPLF的样品则表现出明显的聚集现象。这种均匀的分布不仅有助于提高材料的机械性能，还能够增强其在机械变形下的能量收集能力。同时，DPLF的直径约为81.36 μm，其结构特性有助于在复合材料中形成稳定的网络结构，从而提高整体的机械强度和介电响应。

在机械性能测试中，研究团队采用拉伸试验评估了不同DPLF含量的复合材料的杨氏模量和断裂伸长率。结果表明，随着DPLF含量的增加，材料的杨氏模量显著提高，但断裂伸长率则相应下降。这种性能的权衡表明，虽然DPLF的加入会限制材料的柔韧性，但它在提升机械强度和应力传递效率方面具有明显优势。这种特性对于需要高机械稳定性但对极端弹性要求不高的能量收集设备尤为重要。

此外，研究团队还评估了压电发电机在不同负载条件下的输出性能。在低电阻负载下，7.5 wt.% DPLF含量的复合材料表现出最高的功率密度，达到13 μW/cm2。这表明，DPLF的加入不仅优化了材料的结构，还提高了其在动态负载下的能量转换能力。同时，通过对比不同负载下的输出结果，研究团队确定了最佳的负载匹配点，这有助于在实际应用中实现压电发电机的高效运行。

在实际应用测试中，研究团队还验证了该压电发电机在不同机械力下的性能表现。无论是足部踩踏产生的力，还是手部施加的力，7.5 wt.% DPLF含量的复合材料均能产生稳定的电压输出，分别达到约4.5 V和5 V。这种对不同机械输入的响应能力，表明该材料在实际应用中具有广泛的适用性，能够适应多种环境下的能量收集需求。

综上所述，本研究通过引入DPLF纤维，成功开发了一种具有优异机械性能和能量收集效率的新型压电复合材料。该材料不仅能够实现高效的机械能向电能的转换，还表现出良好的长期稳定性，使其在可持续能源领域具有广阔的应用前景。同时，DPLF的使用也实现了农业废弃物的资源化利用，为环保和可持续发展提供了新的解决方案。未来的研究可以进一步探索DPLF的取向优化和表面改性，以进一步提升材料的性能和应用范围。