# 一种基于约束的管状多层介电弹性体泵设计空间分析与材料筛选解析框架

《Advanced Materials Technologies》：A Constraint-Based Analytical Framework for Design-Space Analysis and Material Screening of Tubular Multilayer Dielectric Elastomer Pumps for Extracorporeal Circulatory Applications

　　

# 摘要

介电弹性体执行器（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）泵通过顺应性聚合物薄膜的平滑、分布变形产生流体位移，是用于受控体外循环平台（如模拟循环回路和离体器官灌注系统）的一类有前景的软体泵送模块。然而，其液压性能和机电可行的工作空间取决于强耦合的材料属性、结构参数、负载条件和驱动电压。在本研究中，研究人员提出了一种基于约束的分析框架，用于在组合内部偏置压力和施加电压条件下，对管状多层DEA泵进行设计空间分析和材料筛选。该框架同时强制执行最小弹性应变能（用于压头）、最小冲程容积（用于流量）、机电耦合、最大应变和介电击穿极限等约束条件。该框架以准静态有限元模拟为基准进行验证，平均偏差低于0.05。结合特定装置的经验修正，该框架还捕捉到了实验中观测到的共振现象以及流量和压头变化趋势。针对指定的泵几何结构和性能目标，该框架能够快速缩小设计空间，并筛选出具有可行解的候选介电弹性体材料。该框架作为一个具体实例，展示了一种实用设计方法论，即通过简化解析方法缩小管状DEA泵在体外循环应用中的设计空间和材料选择空间。

# 管状多层介电弹性体泵设计空间分析与材料筛选的约束解析框架解读

## 1. 研究背景与问题提出

体外循环平台，包括模拟循环回路（mock circulatory loops）和离体器官灌注系统（ex vivo organ-perfusion systems），在心血管技术评估和器官保存领域具有重要应用价值。前者通过复现心血管系统的生理或病理特征，为人工心脏瓣膜、心室辅助装置和血管移植物的评价提供可重复的测试环境；后者则通过循环充氧的血液基或无细胞灌注液维持离体器官的代谢与功能。这两类平台均需要能够产生可控、可重复、并具有潜在搏动性输出的泵送模块。

介电弹性体执行器（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）泵作为一类新兴的软体电驱动泵，与传统体外循环回路中使用的旋转式血泵和滚子式蠕动泵相比，具有机械结构简单、结构紧凑、声学噪声低以及可定制搏动流型的潜在优势。管状DEA泵通过将介电弹性体薄膜与柔性电极复合后卷绕成管状结构，在施加电压时，Maxwell应力压缩介电层厚度并使其面内扩张，从而增大内腔容积并储存弹性应变能；电压降低或移除后，弹性回复减小腔体容积并排出工作流体。然而，DEA泵的液压输出受介电材料、多层结构、机械预拉伸、内部压力、驱动电压和激励频率等多参数的强耦合影响。

当前存在的问题在于：采用单一材料指标（如高介电常数或低弹性模量）来选择介电弹性体并不充分；而对所有可能的材料、几何和运行条件组合进行实验测试则成本高昂且耗时。有限元（Finite Element, FE）分析虽能解析选定配置的详细机电行为，但在广阔的多维设计空间初步探索中效率不足。因此，亟需一种能够同时施加相关机械、电气和液压约束的简化解析框架，用于初步材料筛选和设计空间缩减。

## 2. 研究内容与主要方法

针对上述问题，研究人员开发了一种基于约束的解析框架，用于面向受控体外循环平台的管状多层DEA泵设计。该框架的核心在于同时强制执行五项主要设计约束：最小弹性应变能（满足压头要求）、最小冲程容积（满足流量目标）、机电耦合约束、最大应变约束以及介电击穿约束。研究采用成年人尺度参考条件（约5 L/min流量、最高150 mmHg压头）作为设计筛选的示范案例。

**关键技术方法：**

该研究采用的主要技术方法包括：（1）基于Neo-Hookean超弹性本构模型描述介电弹性体薄膜的力学行为；（2）建立管状DEA泵的四状态工作模型（未变形状态→预拉伸状态→加压状态→驱动状态）；（3）将管状结构中等双轴变形映射为等效单轴应力-应变曲线以便于材料对比；（4）构建由五个不等式约束组成的方程组作为设计可行域判据；（5）与准静态有限元模拟进行交叉验证（平均偏差低于0.05）；（6）引入设备特定经验修正系数（e?、e?、etran等）以匹配动态实验结果。研究中还使用来自文献和制造商技术数据表的十种候选介电弹性体材料属性进行筛选演示。

## 3. 研究结果

### 3.1 准静态解析框架与有限元模拟的对比验证

研究将解析框架预测的State 3和State 4薄膜厚度拉伸比与准静态有限元模拟结果进行对比，考察了预拉伸、初始薄膜厚度L?、驱动电压Φ和层数n四个参数变化的影响。结果显示，框架预测与有限元模拟结果在各项参数变化下均表现出良好的一致性，平均偏差低于0.05，证实了该准静态框架能够较好地捕捉管状DEA泵的变形行为。

### 3.2 修正后的准静态框架与动态实验对比

准静态框架在预测流量时低于f=4 Hz下的实验测量值，而压头预测则高于实验值。这一偏差源于框架未考虑动态流固耦合效应以及粘合层和电极等工艺相关因素对有效变形的削弱。为此，研究人员引入了动态修正系数e?和e?（分别捕捉驱动电压和层数对主动变形的影响以及粘合剂和电极对被动变形的影响），并采用有效频率fdyn替代驱动频率f。压头预测方面引入能量传递效率etran=0.6等修正因子。修正后的框架成功再现了实验中观测到的4 Hz共振现象、流量随电压的变化趋势以及压头-流量关系特征。

### 3.3 设计空间分析

以指定几何尺寸（内径15 mm、长度50 mm）和性能目标（压头150 mmHg、流量5 L/min）为基础，通过参数扫描获得了大量可行参数组合。分析结果表明：可行的材料组合主要集中在Y<10 MPa且εr<40的区域；低驱动电压（Φ<1 kV）的可行解集中于较高εr和较低Y区域；较薄薄膜的可行解出现在较低Φ配合较高E_b的条件下，而较高Φ配合较低E_b则需要更厚的薄膜；层数较少的可行解主要出现在较高Y条件下，但也可能在较低Y配合较高εr和Φ时实现。

### 3.4 材料筛选

研究人员将十种候选介电弹性体材料（包括Nusil CF19-2186、Elastosil 2030、Sylgard 186、Solvene 250/P300、3M VHB 4910、Bayfol EA102、Bluesil MF 670U、TPU-LPT4210-UT50、SEBS TPE 45A和Eastane 58889）的属性代入框架进行评估。其中四种材料（Elastosil 2030、Bayfol EA102、Bluesil MF 670U和TPU-LPT4210-UT50）存在满足性能要求的可行解。TPU-LPT4210-UT50提供了最多的可行解（348个）和最低的驱动电压（1.5 kV），展现出最大的设计灵活性；Bayfol EA102提供了66个可行解，最低驱动电压2.5 kV；Bluesil MF 670U提供了12个可行解，最低驱动电压3 kV；Elastosil 2030仅有4个可行解，最低驱动电压4.5 kV。

## 4. 讨论与结论

### 讨论部分总结

研究发现，仅基于机电性能框架的筛选结果不足以完全判定材料的实际适用性。尽管TPU-LPT4210-UT50在框架标准下展现出最大的可行集和调谐空间，但从动态稳定性角度看，作为热固性弹性体的Elastosil 2030在重复循环载荷下表现出比热塑性TPU更好的弹性回复能力；蠕变增加会降低变形可重复性、减少做功输出并增加功耗。在加工性方面，TPU作为热塑性弹性体可熔融再加工、热焊接、热成型和层压，有利于多层结构制造。此外，ECMO实际应用还需考虑动态稳定性、环境稳定性、疲劳抗力、流体相容性、清洁灭菌兼容性和电气隔离等额外因素。研究人员强调，没有任何证据表明筛选出的材料可直接接触血液，框架筛选结果不应被解读为医用材料资格认证。

### 研究结论

本研究开发了一种基于约束的解析框架，用以描述管状DEA泵在内部偏置压力和施加电压联合作用下的性能表现。该框架强制执行最小弹性应变能（压头）、最小冲程容积（流量）、机电耦合、最大应变和介电击穿极限五项约束。以准静态有限元模拟为基准验证，平均偏差低于0.05；结合设备特定经验修正后，能够捕捉实验中观测到的共振现象以及流量和压头变化趋势。利用修正后的准静态框架，研究人员找到了满足指定几何尺寸和性能要求的可行设计方案，大幅缩小了设计空间。通过对十种现有DE材料进行筛选评估，确定了四种具有可行运行区域的材料（Elastosil 2030、Bayfol EA102、Bluesil MF 670U和TPU-LPT4210-UT50）。

研究人员指出，满足机电约束并不等同于系统合格性认证，漏电流、绝缘完整性、介电老化、热行为、电磁兼容性、流体屏障完整性、动态稳定性、疲劳寿命、溶血、血栓形成性、细胞毒性、可萃取物和浸出物以及灭菌兼容性等均需专门的实验评估。随着新型DE材料的出现和结构优化，有望以极低驱动电压实现同等性能，从而使管状DEA泵更安全地应用于体外循环系统，并进一步拓展至植入式心脏辅助装置等更灵活的植入应用领域。该框架作为一个具体实例，展示了一种通过简化解析方法缩小管状DEA泵设计空间和材料选择空间的实用设计方法论。