采用优化电极的多材料3D打印技术制造软介质驱动器

《Journal of Applied Polymer Science》：Multi-Material 3D Printing of Soft Dielectric Actuators With Optimized Electrodes

本研究通过多材料3D打印优化介电弹性体（DEA）电极的填充密度和方向，以平衡机械柔韧性与电气传导性。实验发现，电极填充密度40%且打印方向90°时，DEA最大位移达自由长度的91%，综合性能优于传统制造方法，验证了多材料3D打印在复杂软执行器制造中的潜力。

　　随着科技的不断进步，柔性电子材料和软体机器人技术正在迅速发展，为未来自动化系统提供了新的可能性。在这一背景下，介电弹性体致动器（Dielectric Elastomer Actuators, DEA）因其独特的性能吸引了越来越多的关注。DEA是一种能够将电能转化为机械运动的软体致动器，其工作原理基于库仑力，能够在施加电场时实现较大的位移。由于其轻质、高延展性和低滞后特性，DEA在许多应用领域展现出巨大的潜力，如人机交互、空间探索以及医疗机器人等。

传统的DEA制造方法通常涉及复杂的工艺流程，包括层压结构的构建和电极的单独涂覆。然而，近年来，3D打印技术的出现为DEA的制造带来了革命性的变化。3D打印不仅能够实现三维结构的自由设计，还能在制造过程中同时打印电极和弹性体膜，从而提高生产效率并降低成本。尤其是在基于材料挤出（Material Extrusion, MEX）的FFF（Fused Filament Fabrication）技术中，多材料打印的灵活性为DEA的定制化制造提供了新的路径。

本研究聚焦于通过优化电极的几何参数，提高DEA的性能表现。具体而言，研究者对电极的填充密度和填充方向进行了系统性的调整，以实现机械性能与电性能之间的最佳平衡。填充密度的调整直接影响电极的机械刚度和电导率，而填充方向则决定了电极在不同方向上的延展性和结构稳定性。通过改变这两个参数，研究团队能够更有效地控制DEA在施加电场时的变形能力，从而提高其整体性能。

在实验部分，研究者使用FFF 3D打印机制造了不同电极填充密度和方向的DEA样本，并通过拉伸测试和电场分布模拟分析了其机械和电性能。拉伸测试结果显示，随着电极填充密度的增加，其机械刚度也随之提升，但这种提升并非线性关系，而是受到填充方向的影响。例如，在0°填充方向下，随着填充密度的增加，机械刚度显著上升；而在90°填充方向下，机械刚度的变化相对较小，主要因为电极结构呈现出类似蛇形的延展性，使其在高填充密度下仍能保持一定的柔韧性。此外，电极的填充密度还显著影响其电导率。填充密度越低，电极的电阻越高，这可能会限制其在高电场下的响应速度。然而，过高的填充密度虽然能提高电导率，却会增加电极的机械刚度，从而降低DEA的变形能力。

为了进一步验证这些结论，研究团队还进行了电场分布的模拟实验。模拟结果显示，当电极填充密度为60%时，电场强度约为4?kV/mm，这比填充密度为100%时的电场强度（33.33?kV/mm）要低，但仍然能够满足DEA的正常工作需求。相比之下，填充密度为20%和27%的电极由于结构过于松散，导致电场强度几乎可以忽略不计，因此不适用于DEA的制造。研究团队还发现，填充密度为40%时，DEA能够实现最大的位移，达到其自由长度的91%，这比之前研究中的最大位移（42%）有了显著提升，同时与传统制造方法的DEA性能相当。

这一研究结果表明，通过优化电极的几何参数，尤其是填充密度和填充方向，可以显著提升DEA的性能表现。填充密度为40%且填充方向为90°的电极在保持较高电导率的同时，也能够提供足够的柔韧性，使得DEA在施加电场时能够实现较大的位移。此外，研究团队还指出，电极的填充方向对电导率和机械性能的影响不容忽视。在90°填充方向下，电极的结构设计使得其在低填充密度时仍能保持较高的电导率，而这一特性在0°填充方向下则表现得更为明显。

在实际应用中，DEA的性能不仅依赖于其材料选择，还与制造工艺密切相关。研究团队通过实验和模拟相结合的方法，对电极的几何参数进行了深入研究，并为未来的DEA设计和制造提供了重要的理论依据和实践指导。例如，在90°填充方向下，电极的蛇形结构能够有效提高其延展性，同时降低机械刚度，从而提升DEA的变形能力。而在0°填充方向下，电极的机械性能则更加依赖于其材料特性，因此需要在填充密度和材料选择之间找到最佳平衡点。

此外，研究还发现，电极的填充密度和方向对DEA的响应时间也有显著影响。在填充密度较低的情况下，电极的电阻较高，导致充电和放电过程较为缓慢，从而影响DEA的响应速度。相反，填充密度较高的电极虽然能够实现更快的响应，但其机械刚度的增加可能会限制DEA的变形能力。因此，研究团队在实验中选择填充密度为40%的电极，这一参数在保持较高电导率的同时，也能够提供足够的柔韧性，使得DEA在实际应用中表现出更优的性能。

在实际制造过程中，研究团队使用了NinjaFlex TPU作为弹性体膜材料，而Eel TPU 3D则被用作电极材料。这两种材料在硬度和电导率方面各有特点，NinjaFlex TPU具有较高的柔韧性，而Eel TPU 3D则具备良好的电导性能。通过调整电极的填充密度和方向，研究者能够在两种材料之间找到一个合适的组合，以满足DEA在不同应用场景下的需求。例如，在需要高变形能力的应用中，电极的填充密度应适当降低，以提高其柔韧性；而在需要快速响应的应用中，填充密度应适当提高，以增强其电导率。

本研究的另一个重要发现是，DEA的位移能力与其电极的几何参数密切相关。填充密度为40%的电极在实验中表现出最佳的位移性能，能够实现其自由长度的91%。这一结果不仅验证了填充密度对DEA性能的直接影响，还揭示了填充方向在优化电极性能中的关键作用。通过合理设计电极的几何结构，研究团队成功地提升了DEA的整体性能，使其能够更广泛地应用于各种软体机器人系统。

研究团队还指出，未来的研究可以进一步探索电极材料的优化，以提高其电导率和机械性能。例如，开发更具导电性的FFF打印材料，不仅可以提高DEA的响应速度，还可能实现一些新的功能，如传感和自加热。这些功能的实现将大大拓展DEA的应用范围，使其在软体机器人、可穿戴设备和智能材料等领域具有更大的潜力。

综上所述，本研究通过系统地优化电极的几何参数，显著提升了DEA的性能表现。填充密度为40%且填充方向为90°的电极在保持较高电导率的同时，能够提供足够的柔韧性，使得DEA在实际应用中表现出更优的变形能力。这一研究成果不仅为DEA的制造提供了新的思路，也为未来软体机器人技术的发展奠定了基础。随着3D打印技术的不断进步，DEA的制造将变得更加灵活和高效，从而推动其在更多领域的应用。