介电弹性体致动器和驱动装置的制作方法

本申请涉及自动化领域，特别是涉及一种介电弹性体致动器和驱动装置。

背景技术：

随着工业自动化的发展，机器人在提高质量、提升效率、降低成本方面发挥着越来越重要的作用。但是传统机器人多为电机驱动的刚性结构，自由度少，结构笨重，对环境的适应性差。因此，软体机器人成为了重要的研究方向。

现阶段，软体机器人有三种实现形式：基于气动人造肌肉的软体机器人；基于绳索驱动的软体机器人；基于智能材料驱动的软体机器人。其中，基于气动人造肌肉的软体机器人需要气泵等冗杂的辅助设备，基于绳索驱动的软体机器人存在难以克服的较大摩擦力，因此，基于智能材料驱动的软体机器人是未来软体机器人的发展方向。

用于软体机器人柔性驱动的智能材料，目前有三类：温度刺激响应的形状记忆合金材料；离子或者ph刺激响应的水凝胶材料；电压刺激响应的介电弹性体材料。

形状记忆合金材料在受到温度变化的刺激时，内部金属结构会发生相变(马氏体与奥氏体相互转变)，从而引起体积的变化，产生驱动效果。通常利用电流焦耳热来控制形状记忆合金致动器的变形。基于形状记忆合金材料的致动器优点是载荷大，但是所需电流大，致动器响应慢。

智能水凝胶驱动材料通过与周围水溶液发生物质交换诱导水凝胶的溶胀或收缩，从而实现形状的可逆改变，达到驱动效果。优点是驱动灵活，但是载荷小，且只能在液体环境中产生作用。

介电弹性体致动器的结构通常由一层介电系数较大的弹性体薄膜和两侧的正负柔性电极组成。当电极通电时，产生麦克斯韦应力挤压弹性体，使弹性体在面上扩大，厚度上减小。采用介电弹性体材料的柔性致动器相比形状记忆合金和智能水凝胶，拥有易于控制、载荷大、环境适应性强等优点。

然而，现有的介电弹性体致动器通常采用碳脂作为电极材料，然而碳脂电极的导电率低并且碳脂电极的厚度通常较厚，导致介电弹性体致动器的驱动迟滞大，稳定性低。

技术实现要素：

基于此，有必要至少针对相关技术的介电弹性体致动器驱动迟滞大，稳定性低的问题，提供一种介电弹性体致动器和驱动装置。

第一方面，本申请实施例提供了一种介电弹性体致动器，所述介电弹性体致动器包括：第一介电弹性体、第一液态金属电极、第二液态金属电极，其中，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极分别附着于所述第一介电弹性体的两侧表面，且所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极能够随所述第一介电弹性体发生平面应变。

在其中一些实施例中，所述第一介电弹性体及其两侧表面附着的所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极呈平面状设置。

在其中一些实施例中，所述第一介电弹性体及其两侧表面附着的所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极呈管筒状设置。

在其中一些实施例中，所述介电弹性体致动器还包括绝缘层，所述第一介电弹性体及其两侧表面附着的所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极呈卷绕的筒状设置，所述绝缘层设置于所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极之间。

在其中一些实施例中，所述绝缘层为第二介电弹性体。

在其中一些实施例中，所述第一介电弹性体及其两侧表面附着的所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极交替折叠为立体形状。

在其中一些实施例中，所述介电弹性体致动器还包括第一引出电极和/或第二引出电极，其中，所述第一引出电极电连接于所述第一液态金属电极，所述第二引出电极电连接于所述第二液态金属电极。

在其中一些实施例中，制成所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的液态金属中掺杂有固态金属微粒或固态金属离子。

在其中一些实施例中，所述液态金属电极是采用镀膜工艺制造的。

第二方面，本申请实施例提供了一种驱动装置，所述驱动装置包括一个或者多个如第一方面所述的介电弹性体致动器,其中，所述驱动装置利用所述介电弹性体致动器在厚度和/或面积上产生的电致形变产生作用力。

与现有技术相比，本申请实施例提供的介电弹性体致动器和驱动装置，采用包括第一介电弹性体、第一液态金属电极、第二液态金属电极的介电弹性体致动器，其中，第一液态金属电极和第二液态金属电极分别附着于第一介电弹性体的两侧表面，且第一液态金属电极和第二液态金属电极能够随第一介电弹性体发生平面应变，解决了相关技术的介电弹性体致动器驱动迟滞大，稳定性低的问题，提高了介电弹性体致动器的稳定性，降低了介电弹性体致动器驱动迟滞时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例的介电弹性体致动器的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的卷绕式致动器的立体结构示意图；

图3是根据本申请实施例的卷绕式致动器电致变形前的形状示意图；

图4是根据本申请实施例的卷绕式致动器电致变形后的形状示意图；

图5是根据本申请实施例的折叠式致动器的侧面结构示意图；

图6是根据本申请实施例的折叠式致动器的立体结构示意图；

图7是根据本申请实施例的折叠式致动器电致变形前的形状示意图；

图8是根据本申请实施例的折叠式致动器电致变形后的形状示意图；

图9是根据本申请实施例的介电弹性体致动器的等效电路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本实施例提供了一种介电弹性体致动器。图1是根据本申请实施例的介电弹性体致动器的结构示意图，如图1所示，该介电弹性体致动器包括：第一介电弹性体10、第一液态金属电极20、第二液态金属电极30，其中，第一液态金属电极20和第二液态金属电极30分别附着于第一介电弹性体10的两侧表面，且第一液态金属电极20和第二液态金属电极30能够随第一介电弹性体发生平面应变。

本实施例提供的上述致动器至少由两层液态金属电极以及中间的介电弹性体组成的三明治结构。当两个液态金属电极通电时，产生麦克斯韦应力会对介电弹性体产生挤压作用，从而使介电弹性体在面上扩大，厚度上减小；撤去液态金属电极上的电压，弹性体恢复至初始形状。通过上述原理，从而通过可控的电致变形产生作用力和位移，实现驱动效果。

相较于相关技术中采用石墨、炭黑或者碳润滑脂作为介电弹性体致动器的电极而言，液态金属具有更好的延展性和柔性，因此能够延长介电弹性体致动器的使用寿命，保证其在工作状态下的稳定性。并且，石墨、炭黑或者碳润滑脂的电阻大，容易使致动器产生较大的迟滞。相较而言，液态金属电极的电阻约为上述传统电极的万分之一，电学响应时间也为传统电极的万分之一，基本能够消除致动器电极电阻引起的驱动迟滞。

本实施例的介电弹性体优选为薄膜状。

本实施例的介电弹性体可以由相关技术中任意一种介电弹性体材料(dielectricelastomer，简称为de)制成。介电弹性体材料包括但不限于：硅橡胶、硅树脂、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷(pdms)、丁晴橡胶、丙烯酸、天然橡胶、亚乙烯基氟化三氟乙烯及其复合材料，以及高介电常数填料添加的复合介电弹性体或者微纳米填料添加的复合介电弹性体等。

本实施例的液态金属包括但不限于：镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金等。本实施例采用的液态金属颗粒最小可达到50纳米(球形等效直径)，具有极好的拉伸性能。经过测定，液态金属电极的拉伸率大于380％的弹性体最大电致应变。同时，液态金属极小的颗粒大小也能够减小电极制造时对介电弹性体的损伤，提高致动器的稳定性。液态金属包括但不限于：金属单质镓，或者金属单质镓与选自铟、锡、锌中的任一种或者多种形成的二元合金或多元合金。

在一些实施例中，为了能够进一步提高液态金属电极的导电率、稳定性和延展性，还可以在液态金属中掺杂适量的固态金属微粒或固态金属离子。较优地，固态金属微粒的球形等效直径与液态金属颗粒的球形等效直径相当。上述的固态金属包括但不限于以下至少之一：铜、铟、锡、锌、银等。优选地，固态金属微粒为铜微粒；固态金属离子为铜离子。

在其中一些实施例中，液态金属或者掺杂固态金属微粒或固态金属离子的液态金属可以通过涂刷法、化学镀膜法或真空填充法附着于介电弹性体的表面，从而形成液态金属电极。通过上述方法，一方面能够保证液态金属的厚度均匀且降低液态金属的厚度，另一方面，还能够减小液态金属电极制造时对介电弹性体的损伤。

基于上述的介电弹性体致动器的结构及其工作原理，在本实施例中，可以通过对致动器进行组合或者变形得到各种形状的致动器，从而作为利用厚度上的形变产生作用力的致动器和/或利用面积上的形变产生作用力的致动器。下面分别进行说明。

在其中一些实施例中，如图1所示，介电弹性体致动器的第一介电弹性体10及其两侧表面附着的第一液态金属电极20和第二液态金属电极30呈平面状设置。在上述实施例中的介电弹性体致动器包括由两层液态金属电极及中间的介电弹性体组成的平面式致动器，平面式致动器的形状可以为任意形状，包括但不限于矩形、圆形或者其他不规则形状。上述的致动器可以利用介电弹性体致动器在厚度上的电致形变产生作用力，实现驱动效果。

图1所示的介电弹性体致动器包括两层液态金属电极及中间的介电弹性体，构成了一个基本的致动器单元。由于单个致动器单元在厚度方向上产生的位移有限，为了得到更大的位移，在一些实施例中可以通过将多个致动器单元组合或者对单个致动器单元进行变形，得到位移更大的致动器。

例如，在一些实施例中，介电弹性体致动器的第一介电弹性体10及其两侧表面附着的第一液态金属电极20和第二液态金属电极30呈管筒状设置，从而形成了能够输出沿管筒中心线方向的直线位移的管筒式致动器。

然而，单个致动器单元构成的管筒式致动器能够提供的作用力大小较小，为了能够提高作用力大小，可以将多个管筒式致动器同心套设为多层管筒结构。然而，采用多个管筒式致动器同心套设的方式，对于每一个管筒式致动器都需要单独连接电源两极。为了简化结构，在另一些实施例中，还可以通过对单个致动器单元进行卷绕，得到卷绕式致动器。

如图2所示，在其中一些实施例中，介电弹性体致动器还包括绝缘层40，第一介电弹性体10及其两侧表面附着的第一液态金属电极20和第二液态金属电极30呈卷绕的筒状设置，绝缘层40设置于第一液态金属电极20和第二液态金属电极30之间，从而形成能够输出沿卷筒的轴线方向的直线位移的卷绕式致动器。在本实施例中的绝缘层40的作用是避免第一液态金属电极20和第二液态金属电极30短路。在一些优选的实施例中，绝缘层40也由介电弹性体材料制成，其中增加的介电弹性体既可以用于变形驱动，又能够起到绝缘作用。

参考图3和图4，分别示出了卷绕式致动器电致变形前后的形状变化。在液态金属电极通电后，弹性体面积扩大，使得致动器的长度增大，卷绕式致动器产生顶推力，实现驱动效果。

例如，在一些实施例中，还可以将多个致动器单元层叠在一起，得到层叠式致动器。该层叠式致动器能够在厚度方向上产生较大的位移，最大位移量取决于单个致动器单元的最大位移量以及致动器单元的层叠层数。

然而，直接将介电弹性体致动器层叠为一体，对于每一层致动器单元都需要单独连接电源两极。为了简化结构，在另一些实施例中，还可以通过对单个致动器单元进行折叠，得到折叠式致动器。

图5是根据本申请实施例的折叠式致动器的侧面结构示意图，图6是根据本申请实施例的折叠式致动器的立体结构示意图。如图5和图6所示，在其中一些实施例中，第一介电弹性体10及其两侧表面附着的第一液态金属电极20和第二液态金属电极30交替折叠为立体形状。本实施例中的折叠式致动器可以采用整块的平面致动器，通过交替折叠的方式得到。折叠式致动器中，两面附着液态金属电极的介电弹性体交替折叠，使得致动器面上累加而液态金属电极和弹性体处于完整状态。

参考图7和图8，分别示出了折叠式致动器电致变形前后的形状变化。当液态金属电极通电后，此时处于电极中间的介电弹性体受到麦克斯韦应力的挤压作用，由于保持体积不变，故弹性体在面上扩大，厚度上减小，折叠式液态金属电极介电弹性体致动器输出收缩功，实现直线运动。

折叠式致动器相较于前述实施例的致动器，折叠结构使致动器正负液态金属电极为完整的一个面，便于电极层的制造，提高了致动器的稳定性；并且折叠式致动器只需要一对引出电极，简化了结构。

本实施例的致动器单元的变形和组合并不限于上述举例，例如，还可以通过改变介电弹性体不同位置的厚度，来改变不同位置的位移量大小，从而实现多种方向的直线或者曲线运动。

在另一些实施例中，介电弹性体致动器还可以包括第一引出电极和/或第二引出电极，其中，第一引出电极电连接于第一液态金属电极20，第二引出电极电连接于第二液态金属电极30。引出电极通常为金属箔片。

下面以平面致动器为例说明液态金属电极提升致动器响应时间的原理。

图9是根据本申请实施例的介电弹性体致动器的等效电路图。如图9所示，当液态金属电极通电后，两个液态金属电极构成的电容器处于充电状态，介电弹性体致动器可以等效于rc串联电路，其中，

时间常数τ＝rc；

电容器上的电压值

故时间常数τ直接决定致动器的响应速度。

经测量，液态金属电极的电阻为普通碳脂电极电阻的万分之一，可以大大降低电路响应速度。

本实施例还提供了一种介电弹性体致动器的制作方法，该介电弹性体致动器包括：

步骤1，获取第一介电弹性体和液态金属。

步骤2，将液态金属附着于第一介电弹性体的两侧表面，得到介电弹性体致动器。

在其中一些实施例中，将液态金属附着于第一介电弹性体的方式包括但不限于以下之一：涂刷法、化学镀膜法、真空填充法。由于采用了液态金属作为电极，因此能够方便应用各种镀膜方法来制作液态金属电极。采用镀膜方法制造的液态金属电极，不仅能够降低液态金属电极的厚度，还能够避免介电弹性体的损伤，提高介电弹性体致动器的稳定性。

本实施例还提供了一种驱动装置，该驱动装置包括一个或者多个上述的介电弹性体致动器,其中，该驱动装置利用介电弹性体致动器在厚度和/或面积上产生的电致形变产生作用力。

综上，本申请提供的上述实施例，采用液态金属作为介电弹性体致动器的电极，并且在采用液态金属作为电极之后，得以采用镀膜方法将液态金属附着于第一介电弹性体的两侧表面，降低了电极层厚度，提高了致动器的寿命、稳定性，还降低了响应时间。

本申请实施例提供的致动器可以应用于软体机器人、仿生面部表情、航天航空、机器昆虫、液体和气体流量控制等领域，用于制造人工肌肉、柔性机构，或者作为新型致动器取代电机。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。