本发明涉及软体机器人驱动材料，尤其涉及了一种无缝非对称结构磁性介电弹性体薄膜、可定制变形和磁电双控制的驱动器及其制备方法。
背景技术：
1、介电弹性体驱动器由介电弹性体薄膜和涂敷在其上下表面的柔性电极组成。在电场作用下，正负电荷在薄膜上下表面聚集并形成maxwell应力，从而触发弹性体薄膜的可逆形变实现电能到机械能的转化。能量密度高、响应速度快、形变量大以及质量轻是其突出的优势。在仿生机器人设计、可穿戴感知与监测系统开发等领域有着巨大的应用潜力。特别是在软体机器人设计及制备领域，介电弹性体是未来实现执行器轻量化，可穿戴和智能化的重要材料基础。为拓宽介电弹性体驱动器的适用范围，提高驱动形态与实际生活运动模式的匹配度以及复杂环境下的驱动稳定性，设计制备具有多模态面外运动变形和多模式控制驱动的介电弹性薄膜具有重要意义。
2、目前，介电弹性体驱动器的面外变形主要利用非对称结构的引入，将介电弹性体薄膜直接粘结到被动层上，利用两者之间的不对称形变实现驱动器的面外变形。而为了提高介电弹性体的面外输出力，被动层材料通常选用高模量聚合物薄膜（pet薄膜和bopp薄膜等）。但是由于力学特性、应变大小等差异，柔性介电弹性体薄膜与高模量被动层的直接粘合通常存在界面模量不匹配的问题。特别是在长周期循环驱动过程中，由于软-硬界面处的应力集中容易导致器件发生局部剥离或引起微缺陷放大，进而发生电击穿使得器件失效。消除传统非对称结构薄膜间的界面，对于提升介电弹性体驱动器的面外执行稳定性和耐久性具有重要价值。
3、此外，基于非对称结构的介电弹性体驱动器通常只能产生简单的弯曲运动，且驱动模式仅依靠电场控制。目前，实现介电弹性体驱动器的多模态运动和多模式控制需要依赖复杂的结构及控制电路设计，异质界面工程等技术，限制了介电弹性体驱动器的大规模应用。而规模化制备具有多模态形变和多模式控制的长寿命非对称结构介电弹性体驱动器的难点主要在于：
4、1）介电弹性体驱动器的高性能面外输出需要高模量的被动层结构，而界面层的引入则会增加器件的损坏风险。在非对称结构的基础上，实现软/硬材料的无缝连接还存在一定的挑战；
5、2）丰富介电弹性体驱动器的运动形态和控制方式通常需要引入不同的要素，而过多要素的引入会提高驱动器的制备难度。如何通过单一要素引入，实现驱动器运动形态和控制方式的双相设计仍是有待解决的难题。
6、目前已有一些研究工作在尝试解决这些问题，例如设计梯度界面分层结构来实现软硬材料的平缓过渡，提升驱动器的使用寿命。或是通过图案化电极设计，实现驱动器面外变形的可编程化等。
7、然而目前的研究仅针对单一问题的解决，缺乏有效策略来解决非对称结构介电弹性体驱动器使用寿命，多维形变和多相驱动之间的矛盾。
技术实现思路
1、为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种可电泳磁性颗粒、无缝非对称结构磁性介电弹性体薄膜、可定制变形和磁电双控制的驱动器及其制备方法，解决了非对称结构介电弹性体驱动器使用寿命的问题，以及多维形变和多相驱动之间无法同时实现的技术问题。
2、本发明的技术方案是：
3、本发明的方案，包括：1）可电泳磁性颗粒的合成；2）将改性磁颗粒分散于介电弹性体前驱液中，通过施加电场控制磁性颗粒空间分布并使用紫外固化机固化薄膜；3）将图案化遮光掩膜贴合在模具上下表面设计可定制变形磁性介电薄膜作为驱动器。
4、本技术第一方面提供了一种可电泳磁性颗粒的制备方法。
5、本技术第二方面提供了一种基于上述磁性颗粒制备的无缝非对称结构介电弹性体膜。
6、本技术第三方面提供了一种可定制变形和磁电双控制的介电弹性体驱动器制备方法。
7、一、一种可电泳磁性颗粒的制备方法，方法包括：
8、1）将磁性颗粒进行超声分散，获得分散液；
9、2）将分散液以400 rpm/min的转速进行机械搅拌，并在搅拌过程中加入表面活性剂进行反应，反应一段时间4小时后获得表面带负电荷的磁性颗粒，并利用磁铁分离和去离子水洗涤，烘干后得到修饰产物的改性磁颗粒，即为可电泳磁性颗粒。
10、在一种示例性的实施例中，所述的磁性颗粒选自四氧化三铁（fe3o4）、铷铁硼（ndfeb）和羰基铁粉的一种。
11、优选的，所述的磁性颗粒为羰基铁粉；更优选的，采用片状羰基铁粉。
12、在一种示例性的实施例中，所述的表面活性剂为阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂。
13、优选的，所述的表面活性剂为阴离子表面活性剂；更优选的，十二烷基磺酸钠（sds）。
14、在一种示例性的实施例中，所述的磁性颗粒与表面活性剂的用量比为1：1 w/w%；
15、在一种示例性的实施例中，所述分散液的溶剂为去离子水。
16、二、基于可电泳磁性颗粒的一种无缝非对称结构介电弹性体膜的制备方法，制备方法包括：
17、1）将改性磁颗粒的可电泳磁性颗粒分散于介电弹性体前驱液，形成磁颗粒掺杂混合液；
18、2）将磁颗粒掺杂混合液注入固定模具中，施加电场进行电泳控制所有磁性颗粒的空间分布并使用紫外固化机固化形成薄膜，即为无缝非对称结构的介电弹性体膜。
19、在一种示例性的实施例中，所述介电弹性体前驱液选自聚丙烯酸基介电弹性体；优选的，可加工高性能介电弹性体（phde）；
20、在一种示例性的实施例中，所述磁性颗粒占介电弹性体前驱液的质量分数为3~10wt%，任选的5 wt%。
21、所述步骤2）中，在一种示例性的实施例中，施加电场使得可电泳磁性颗粒向正极靠近靠拢，设置电场强度为4 v/μm，电泳时间为1 h；
22、在一种示例性的实施例中，所述紫外固化机的主要工作波段为365 nm，功率为3kw，固化时间为100 s。
23、三、基于可电泳磁性颗粒的一种可定制变形和磁电双控制的介电弹性体驱动器的制备方法，制备方法包括：
24、1）将改性磁颗粒的可电泳磁性颗粒分散于介电弹性体前驱液，形成磁颗粒掺杂混合液；
25、2）将上述磁颗粒掺杂混合液注入固定模具中，先施加电场进行第一次电泳控制可电泳磁性颗粒迁移至正极方向，形成沿厚度方向的空间分布；
26、3）将图案化裁剪的遮光掩膜贴合在固定模具的上下表面，使用上述紫外固化机透过遮光掩膜曝光固化未被遮光掩膜遮盖的磁颗粒掺杂混合液部分；
27、4）将遮光掩膜移除，施加电场进行第二次电泳调控之前被遮光掩膜遮光区域的可电泳磁性颗粒的空间分布，再使用上述紫外固化机曝光固化剩余部分，即固化全部的磁颗粒掺杂混合液，使得形成介电弹性体薄膜；
28、5）从固定模具中取出介电弹性体薄膜，将镂空掩膜贴合在步骤3）得到的介电弹性体薄膜的上下表面，在镂空掩膜的镂空处的介电弹性体薄膜的上下表面上喷涂柔性电极；
29、6）将微型金属线圈与步骤5）喷涂柔性电极后得到的介电弹性体薄膜相组装，即相互固定连接，将微型金属线圈固定到介电弹性体薄膜的表面上，得到具有定制变形能力和磁电双控制的介电弹性体驱动器。
30、所述的固定模具包括玻璃、ito膜、pet膜和橡胶模具，橡胶模具中间开设用于注入填充磁颗粒掺杂混合液的通槽，橡胶模具两侧表面向外依次层叠布置pet膜、ito膜、玻璃；具体地，橡胶模具上、下表面均密封覆盖布置一层pet膜，每层pet膜的外侧表面均再覆盖布置ito膜，ito膜的外侧表面均再覆盖布置玻璃。
31、所述橡胶模具用于装载磁颗粒掺杂混合液，pet膜用于绝缘层，防止磁性颗粒与电极接触放电，ito膜用于导电电极，玻璃用于硬质基底。
32、所述步骤2）中，在两块玻璃表面覆盖布置ito膜，并在ito膜表面密封加盖pet膜；然后将带有通槽的橡胶模具置于其中一块玻璃的pet膜表面并注入磁颗粒掺杂混合液；将另一块玻璃覆盖在橡胶模具表面使用长尾夹固定模具；施加电场进行第一次电泳控制可电泳磁性颗粒迁移至正极侧，使得可电泳磁性颗粒在混合液中产生沿厚度方向的空间分布。
33、所述步骤3）中，将两个遮光掩膜分别贴合在固定模具的两侧外表面的玻璃的表面上，使用上述紫外固化机发出紫外光依次透过遮光掩膜的空缺图案处、玻璃、ito膜、pet膜后照射到通槽中的磁颗粒掺杂混合液，进行局部曝光固化。
34、所述步骤4）中，将遮光掩膜移除，施加电场进行第二次电泳调控未被曝光固化的磁颗粒掺杂混合液中的可电泳磁性颗粒的空间分布，再使用上述紫外固化机发出紫外光依次透过玻璃、ito膜、pet膜后照射到通槽中的全部磁颗粒掺杂混合液，进行全部曝光固化，进而在通槽中制备形成介电弹性体薄膜。
35、最后将玻璃、ito膜、pet膜去除，从通槽中取出介电弹性体薄膜。
36、在一种示例性的实施例中，所述步骤5）中，包括将所述柔性电极的材料使用异丙醇和水混合液进行分散处理形成分散液，异丙醇和水混合液中异丙醇与水的体积比为36 ：4 v/v%，将分散液离心后取上清液，离心转速为8000 rpm/min，时间为10min，再将上清液喷涂在介电弹性体薄膜的表面上。
37、所述步骤6）中，所述微型金属线圈分布于介电弹性体薄膜前后，与柔性电极相互绝缘，独立连接控制。
38、上述制备获得的介电弹性体驱动器能够被电控和磁控，并且通过施加电场电泳对磁性颗粒的空间分布进行调控，进而调整介电弹性体薄膜的空间模量分布，实现介电弹性体薄膜和介电弹性体驱动器的多模态面外驱动。
39、在一种示例性的实施例中，所述柔性电极的材料采用碳纳米管（cnts）；优选的，单壁碳纳米管（scnts）。
40、在一种示例性的实施例中，所述柔性电极材料的喷涂标准是至薄膜表面电阻~100 kω。
41、在一种示例性的实施例中，所述微型金属线圈材料为铜线圈，线圈直径为6 mm，线径为0.1 mm。
42、在一种示例性的实施例中，所述微型金属线圈组装后使用有机硅弹性体（ecoflex-0030）进行封装。
43、根据以上内容可知，本发明制备了高性能非对称结构介电弹性体驱动器，在解决界面失稳问题的同时，丰富驱动器的运动形态和控制方式。
44、本发明的有益效果是：
45、本发明以磁性颗粒为单一媒介，通过调控磁颗粒的空间分布，实现介电弹性体膜的多模态面外驱动。相较于传统策略，即通过将不可驱动的聚合物膜与介电弹性体膜相结合，从而实现面外变形。本发明提供的技术手段具有以下优势，1）利用调控磁颗粒的空间聚集分布状态，实现非对称结构介电弹性体薄膜设计。无需引入被动层结构，消除了驱动器长周期运行界面分层损坏的风险；2）通过磁颗粒的掺杂，引入磁响应性能。利用电-磁的协同效应，可实现介电弹性体驱动器的多维运动控制，增强介电弹性体驱动的面外输出性能，包括变形能力，力输出性能等；3）利用注模/电泳工艺更容易实现非对称结构介电弹性体薄膜的大面积制备，将助力介电弹性体薄膜的工业实践应用。