1 电子型人工肌肉
电子型EAP 通过分子尺寸上的静电力( 库仑力) 作用使聚合物分子链重新排列以实现体积上各个维度的膨胀和收缩。这种电机械转化是一种物理过程[ 12] , 包括两种机制, 电致伸缩效应和Maxwell 效应。两种机制所产生的应力和应变都与电场的平方成正比。驱动器所产生的应变可能是一种机制所产生, 如电介质弹性体, 或者是两种机制同时作用, 如聚氨酯和接枝弹性体。电致伸缩是由于材料介电性质的改变而引起的应变。电极化与机械应变关系如下,Selectrostriction = - QEo2 ( Er - 1) 2 E2 ( 1)Selectrostriction 表示电致伸缩所导致的纵向应变, 即在膜厚方向的应变, Q 是电致伸缩系数, Eo 是真空介电常数, Er 是相对介电常数, E 是电场强度。介电常数E, 由真空介电常数和相对介电常数相乘所得( E=EoEr ) 。若要发生电致伸缩现象, 材料结构中必须含有结晶区域。当材料发生预应变时其介电常数增大则预示着电致伸缩效应出现的可能性。材料的介电常数可通过介电分析仪测得。另外, 在电致伸缩聚合物中还发现了一种新的机理, 聚合物偶极子的方向改变会引起体积的变化, 这就是铁电效应。Maxwell 应力是电介质中电场分布发生变化的结果。一种解释认为是电极间相反电荷之间的库仑力。SMaxwell = - sEoErE2P2 ( 2)SMaxwell 是膜厚方向上的应变, s 是弹性柔量, 应力与介电常数成比例。Ma 等[ 13] 认为丙烯酸类弹性体的场致应变主要由Maxwell 应力导致, 因为试验数据和方程式所得结果符合的很好。这种机理在低模量材料比如具有高应变的电介质弹性体中起主要作用。电子型EAP 的优点是形变大, 但是有一个明显的不利因素, 那就是需要很高的电场强度( 150MVPm) , 这就使得驱动电压一般高于1kv, 但是由于电流很低, 电能消耗较低。
111 电介质弹性体
电介质弹性体是化学交联的软弹性体, 可以提供很大的场致应变( 10%~ 100%) , 而一般哺乳动物的应变为20% 左右。电介质弹性体是目前研究人员最为关注的聚合物驱动材料, 具有质轻、价廉、噪音小及柔软可塑性强等特点。这类材料通过Maxwell 应力产生应变。电介质弹性体驱动器从原理上讲是一个平行板电容器, 弹性体膜介于两个平行金属电极之间, 类似三明治结构。当在两金属电极上施加上千伏的高压直流电压时, 两电极之间产生的静电引力在膜厚方向上挤压弹性体膜, 使之在水平方向上扩张, 关闭电压, 弹性体薄膜恢复原来的形状( 见图1) 。



图1 电介质弹性体驱动原理示意图[14]
Figure 1 Schematics of the Dielectric elastomer actuators
电介质弹性体通过两种方式将电能转化为机械能。其一, 当电极面积扩大而距离接近时, 正负电极的接近伴随着相反电荷的靠近, 金属电极间的电势能降低, 根据能力守恒定律, 降低的电势能转化为机械能; 其二, 金属电极面积扩大, 电极上分布的同种电荷距离增大, 同样电荷间电势能降低, 电能转化为机械能。电介质弹性体在驱动时体积保持不变, 因此平行的电极板将两种转换方式很好的结合, 使之能同时发挥最大作用。驱动应力可定义如下[ 15] :p = EoErE2 = EoEr ( VPt) 2 ( 3)p 为驱动应力, V为电压, t 为膜厚。应力和场强的平方及介电常数成比例。场强越大, 其承载的应力越大, 驱动的功效也就越大。因此, 要想得到有效的驱动就需要很高的电场, 即需要很高的电压。但是, 驱动电压过高会限制其在很多方面的应用。在膜比较薄的情况下, 高电场可以由低电压得到, 但是当膜非常薄时, 很难得到大面积的均匀膜。一般膜的厚度为微米级别, 需要几千伏的驱动电压。研究人员寻求保持较高的驱动应力而电压尽可能低的方法, 其中包括预应变及使用导电纤维作为支架以制备更薄的膜。预应变过程降低了介电常数, 但同时提高了击穿场强, 其净效应是驱动应力的增加[ 12] 。常用的电介质弹性体为硅树脂和丙烯酸树脂橡胶, 这两种弹性体表现出的性能十分接近生物肌肉。两种橡胶都是无定型态, 不含结晶态, 电机械响应主要是由于Maxwell 应力, 因为电致伸缩需要材料中含有晶态。测试结果将人们的目光聚焦在两种产品上, CF1921286 硅树脂及VHB4910 丙烯酸树脂, 它们的驱动应变分别达到117% 和215% [16] 。两种材料的驱动应力都能达到8MPa, 能量密度为3JPcm3 , 最高可达314JPcm3。由于材料的低模量和高击穿场强, 使得丙烯酸树脂在高电场下的最大应变可以达到380%[ 17] 。SRI 将多层驱动器重叠起来制成柱形弹簧卷驱动器[ 17] , 这个驱动器可产生约8MPa 的应力, 相当于真人肌肉的30 倍。驱动器大小与一个手指头相似, 可侧向弯曲, 形变时能举起1kg 重的物体, SRI 成功将此驱动器用于六腿机器人FLEX2[ 18] ,FLEX2 具有类生物的行进步态, 速度可达315cmPs。EMPA 团队将此柱形弹簧卷用于机器人手臂, 在2005 年第一次举行的人机手臂角力比赛中与17 岁的女中学生角力[ 19] 。电介质弹性体驱动材料的响应速度较快, 目前丙烯酸树脂的驱动频率可以达到100Hz, 硅树脂可达到1kHz[ 12] 。丙烯酸树脂的机电耦合通常为60% - 80%, 硅树脂的可以到达90% , 远远高于其它电活性聚合物。以上种种优异的性能使它们成为研究最多应用最广的聚合物人工肌肉材料。
112 压电聚合物
压电聚合物的工作原理和超声波换能器中使用的压电陶瓷类似。1880 年Curies[20] 发现了压电现象,
化学键弯曲, 导致晶体的结构发生改变, 使晶格从矩形变成平行四边形, 导致体积的改变, 体积的增减将
会产生机械力。聚合物压电材料在上世纪20 年代就已被发现[ 6] , 但由于其所呈现的应变和力相对小, 一直未被充分研究和开发, 直到聚合物的铁电性被发现。压电聚合物是典型的线性电机械材料, 应力和应变与电场和电荷密度成线性关系。研究和商业使用的大部分压电聚合物都是基于极化的铁电聚合物如PVDF 和相关的共聚物。
113 铁电体聚合物1921 年, Valasek[ 21] 发现某些材料本身具有电子偶极距, 当施加适当的电场后, 这个偶极矩会反向, 这种性质定义为材料的铁电性质。无机铁电材料在电场的作用下可产生形变, 但是变形量远远小于1% ,而铁电聚合物材料却可产生高达10% 的形变[ 22] 。铁电聚合物可以在空气中, 真空以及水下作为驱动器使用。聚偏氟乙烯( PVDF) 和它的共聚物是最常用的铁电聚合物。当对PVDF 施加电场时, 可将无极性A相态转变为极性B相态( 见图2a) , 导致极化方向上的收缩和链方向上的伸长。20 世纪90 年代中期, 张其明[ 23] 及合作者报道了他们的铁电体聚合物PVDF 及共聚物, 应变可达4%, 模量可达1 千兆帕, 而且应力高达15MPa。压电材料具有线性效应, 施加电场则发生应变, 挤压材料则产生电压。而铁电材料具有显著的磁滞效应[ 24] ( 见图2b) , 材料极化后必须施加反向足够大的电场才能使极化反向, 这个过程导致大量的能量消耗, 但却不产生任何机械功。张等[ 25] 通过辐射交联引入缺陷, 可得到应变为5%, 杨氏模量达1GPa 的PVDF2TrFE 铁电材料。并合成三元聚合物PVDF2TrFE2CFE[ 22, 26, 27] , 形成了伸缩应变大于7% ,模量大于013GPa, 能量密度达1JPcm3 的铁电聚合物材料。辐射交联和CFE 的引入, 相当于在二元聚合物中引入缺陷, 打断了二元聚合物的长程有序结构, 使材料从常态铁电体变成铁电弛豫态, 在增大应变和能量密度的同时也明显降低了磁滞效应。通过改变组分含量, 可以得到在室温下的相对介电常数高于50[ 28, 29] 的聚合物, 这种聚合物电致伸缩应变在20~ 80 e 的范围内几乎为定值, 电场击穿强度高达400MVPm, 在高电场下具有10JPcm3 的电能储存密度。对于二元共聚物P(VDF2CTFE) , 当其组成比为91P9mol%时, 其能量密度在575MVPm 时高达17JPcm3 , 远远高于一般聚合物, 而且共聚物LB 膜的击穿电场高达1000MVPm[ 30] 。



图2 ( a)PVDFD 的A 相态和B相态[27] ; ( b) 铁电聚合物的磁滞效应[24]
Figure 2 ( a) A phase and B phase of PVDF; ( b) Typical ferroelectric hysteresis characteristics
114 电致伸缩接枝弹性体
电致伸缩接枝弹性体含有两种组分, 弹性的聚合物骨架及接枝的可结晶极性基团[ 31] 。柔性的骨架结构提供无规态链结构, 从而形成三维的网络结构, 这些网络结构被接枝结晶区域物理交联; 结晶区域能够对电场响应并产生形状改变, 显示电机械特性。其结构示意图和分子形貌如下图:


图4 商用产品Flemion ( 左) 和Nafion ( 右) 的化学结构式[38]
Figure 4 Chemical structure of Flemion( left) and Nafion ( right)
在相互连接的阴离子聚合物网络中, 聚合物基底为移动的阳离子提供通道, 金属电极可以通过还原分散在聚合物表面的金属离子得到。电场导致离子浓度的改变, 从而吸引水分子移向聚合物的一侧, 导致层状结构向电极的一边弯曲。非均匀分布的水分子导致驱动器一侧溶胀而另一侧收缩。IPMC 不能产生线性驱动, 只能弯曲驱动, 恢复起始外界环境, 驱动器恢复原形。响应速度较高, 可达50Hz, 而且易于制造。IPMC 的电机械响应速度依赖于离子聚合物种类、阳离子种类、溶剂的性质以及体系中溶剂含量。不同的碱金属或碱2铵盐离子, 以及不同的溶剂都产生不同的驱动速度和驱动器偏转程度。对Nafion 样条施加电场时, 样条首先较快地朝着正极方向弯曲, 然后缓慢地放松, 即弯曲程度降低, 如果此时两金属电极短路, 则样条会快速地朝负极方向弯曲, 然后缓慢地放松, 最终弯曲方向朝着负极方向, 很难达到起始状态。但如果样条中含一些大的碱2铵阳离子TBA+ , 则施加电压后只会逐步地向着正极方向弯曲。Flemion 基材料有着不同的驱动行为, 含碱金属阳离子的Flemion 样条在水中溶胀平衡后, 对其施加直流电场, 它将迅速地向正极方向弯曲, 然后继续向着正极方向弯曲, 只是速度明显降低。如果短路, 则样条快速地弯向负极, 然后降低速度继续向负极方向弯曲。在初始的极短时间内, 弯曲程度就可以达到整个过程全部位移的77% [39, 40] 。



空想非科学大全
作者：柳田理科雄
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其二：神经同步控制。最显著的例子就是EVA。通过在中央神经系统（脊柱内）插入神经控制栓来实现和操纵者的神经外输出信号（传出神经信号）同步，从而控制机体的动作。这种设想是最科学化的，但是同时是最难实现的。因为这样的方法只能适用于有神经系统生物机体，换句话来说就是“人形兵器”必须是有机的生物体，而利用生物活性材料所能构筑的最大形体生物基本就是恐龙（梁龙？）了，但是按照人类的形体制造那样巨型“人形”别说是有技术隔阂，就算制造出来，恐怕它连站立都不可能，因为超越了生物材料所能抵抗重力的极限。但是利用神经同步的控制方法还是有可能性的，因为机械体可以通过神经信号数字化的方法获得与驾驶者神经外输出信号（传出神经信号）的同步。不过这样来说的话必须有直接的人体信号输出端口，毕竟不可能像EVA那样让驾驶员头上带一个信号发生装置就万事大吉。细微的神经兴奋在现阶段必须利用直接传导的方式来数字化。所谓的“大脑之门”系统就是现阶段最现实的例子。（美国布朗大学的科学家在一名瘫痪患者脑部植入名为“大脑之门”的芯片，使患者能通过思维完成移动鼠标、更换电视频道和控制机械手臂。引于英国《自然》科学杂志，后面有参考文献记录表，会有具体文献。）但是这就给驾驶者带来了很多麻烦，比如机体受损后的逃离等等。故而神经同步控制理论还有待参考。
其三：从动作控制。这种系统是对人类操控者来说最容易掌握和适应的方式。从动作识别系统，例如全金属狂潮M9等等众多AS的驾驶系统（见图1－2），可以读取操作者的微小动作，并将其扩大化反应在机体上，使机体运动。之所以是采用将小幅度动作扩大化的方式是因为驾驶仓里的狭小空间无法做出和机体同等的动作。具体说来就是，操作者的手肘转动10度的话，机体马上就会做出手肘转动30度的反应，而这过程中操作者的各种没必要的小动作以及动作过程中的不配合情况，由计算机“翻译”后以最有效的动作平滑地反应到机体上。这个过程的处理性能高低是找造成机体性能差别的重要因素。那么当我们适当的扩大化驾驶舱的容积和“人形兵器”本身体积时就可以解决此种问题。而对环境的运动性适应方面可以在操纵的驾驶系统中添加环境传感器，让人体对外界环境有具体的感受，将对细微的运动之调节直接交由人类驾驶者，从而极大的简化对数据的处理负荷。所以“从动作控制”在现有的理论和技术方面存在的问题比较小，有实现的可能。

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