你听说过这样一款机器鱼吗？它的内部没有马达、齿轮等任何机械组件，仅凭借内在力量的驱动，就能像真鱼一样在水中灵活自然地游动。
它们之所以能够“游泳”，其实是因为体内被放置了一种名为电活性聚合物的材料。
电活性聚合物常被称为“人造肌肉”，其在受到电场的作用下产生驱动，拥有与生物肌肉相似的柔软性和驱动行为。
相较于传统的压电材料，这种材料具备诸多优点，比如应变能力强、抗震程度高、重量小等。
该类材料发展前景广阔，介电弹性体就属于其中一种，它具有较快的响应速度和较大的驱动应变，已成为研究人员设计软体机器的主要选项之一。
近日，浙江大学谢涛教授课题组发现了一种新型的介电弹性体驱动机制。其可以在低电场（2-10V/μm）下实现高设计自由度的面外大变形。
图丨相关论文（来源：Advanced Materials）
该论文的第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士生张铖宬和金斌杰博士，论文通讯作者为谢涛教授。
据介绍，介电弹性体虽然具有良好的性能，但也存在几个非常显著的缺点。
第一，由电场诱导产生的麦克斯韦应力，会导致面内变形，但通常需要事先进行预拉伸才能实现大变形，但这会增加器件结构的复杂度。
第二，所需驱动电场（20-100V/μm）高且接近材料的击穿场强，一方面需要庞大的加压装置，另一方面器件的耐用性受到严重影响。
第三，需要借助外部的刚性框架、嵌入的刚性纤维等装置，才能实现将平面内的驱动转换为平面外的运动。
为了制备这种具有 3D 驱动能力的介电弹性体，谢涛团队设计了一种动态共价聚合物网络。该网络具有分子结构重排机制，可通过固态塑性在不需借助模具的条件下构筑复杂 3D 形状。
论文作者发现，构筑的三维形状，由于局部弯曲刚度的改变，可以有效放大电致变形，在比传统介电弹性体低得多的电场中实现高自由度的 3D 驱动。
图丨可设计的 3D 介电致动器（来源：Advanced Materials）
与此同时，该材料固有的结晶熔融转变提供了其刚柔可切换和形状记忆功能，从而实现多模态驱动和主动展开。
此外，传统的介电弹性体不仅需要附加重量较大的外部框架，而且在组装完成后，不能对其运动模式进行重新编程。
而这种材料不需要添加任何组件，通过单一材料（除电极涂层外）就能实现可多次编程设计的平面外运动。
图丨材料特征（来源：Advanced Materials）
回忆研究初衷，谢涛表示：“其实，从某种程度上看，这是一个意外的发现。”
起初，谢涛和团队只是想制备一种具有 3D 结构的介电弹性体。他们先采用折纸式方法，将该材料折成千纸鹤的形状。
在这个过程中，他们却发现该材料在很小的驱动电压下，就能产生非常大的变形。
为了探究其中的原因，他们查阅诸多文献，最终发现一种独特的空间电荷机制，该机制就是低驱动电场和平面外驱动产生的来源。
其实，这种机制曾经被报道过，但却因受到较小振幅弯曲的局限，并没有得到研究人员的重点关注和深入挖掘。而谢涛团队发现材料的折叠可以非常显著地放大驱动。
据悉，一年前，该团队就已经完成这篇论文的主体部分。为了弄清楚低电压大驱动的原因，又用了将近一年时间深入研究了其中的机理。最后，他们发现这一现象源于三维折叠结构的折痕部位弯曲刚度的变化。
“传统的驱动器都是硬质的，该软体驱动材料能够更好地匹配人体，通过减小驱动电压提升其鲁棒性，这对软体机器来说将是颇为重要的贡献。”谢涛说。
关于这项研究的后续计划，该团队将从以下两个方面入手。首先，他们会进一步优化和完善材料，更加清楚地展示其中的机理并进一步提高其性能。然后，他们计划发展软体机器的相关应用，例如完成扑翼飞行器的建造。
谢涛表示：“我们的终极目标是，未来真正做出一款在技术方面拥有巨大进步，且具备不可代替性的产品。”
参考资料：
[1] C. Zhang, B. Jin, X. Cao, Z. Chen.et al. Dielectric polymer with designable large motion under low electric field. Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202206393.
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