基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)研究

劉立武，劉 蕾，劉彥菊,*，冷勁松

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

介電彈性體(Dielectric Elastomer，DE)是一種具有高介電常數(shù)的彈性體材料，在高壓電場作用下，其形狀和體積能發(fā)生顯著的變化，當(dāng)電場撤銷后，可恢復(fù)到初始形狀和體積。目前較為常用的介電彈性體有硅橡膠、丙烯酸。對于丙烯酸類介電彈性體目前最為常用的是美國3M公司的VHB系列丙烯酸亞敏雙面膠，包括VHB4910和VHB4905。兩者的應(yīng)變變形可分別達(dá)到380%、146%，密度為960 kg·m-3，適用溫度為-10～90 ℃。硅橡膠的最大應(yīng)變?yōu)?50%，密度為1 000 kg·m-3，適用溫度為-100～250 ℃。無論是硅橡膠還是丙烯酸類彈性體，都需要大于1 kV的高電壓進(jìn)行驅(qū)動變形[1-3]。介電彈性體軟材料具質(zhì)量輕、柔韌性好、形變大、高彈性能密度、超短反應(yīng)時間等特點，由于其與生物肌肉有類似的行為模式，因此常被人稱為“人工肌肉”[4-5]，吸引了很多科研學(xué)者。如Kofod G等[6],Kovacs G等[7],Petralia M T等[8],Araromi S等[9], Shintake J等[10], Mccoul D等[11],欒云廣[12],Zhao J W等[13],Sun W J等[14],Li T F等[15],Tang C等[16]等。由于麥克斯韋應(yīng)力，介電彈性體材料能夠保持在直流和電壓下產(chǎn)生的大變形，因此可用來制備仿生智能軟體機器人、揚聲器、智能驅(qū)動結(jié)構(gòu)、類昆蟲機器人等。介電彈性體所具有的結(jié)構(gòu)簡單、高效率、重量輕且能夠快速響應(yīng)的優(yōu)點，使其能夠在航空航天、軟體機器人等結(jié)構(gòu)中發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢。

形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer，SMP)是一種可在外界環(huán)境刺激(如溫度、光、電場、磁場等)作用下發(fā)生主動形狀變化的智能材料。在一定條件和作用下，可改變形狀記憶聚合物的形狀，將其固定在臨時形狀，之后在特定的外界條件激勵下，可從臨時形狀恢復(fù)為初始形狀，這一效應(yīng)稱為形狀記憶效應(yīng)。此外，形狀記憶聚合物還具有變剛度特性，即材料的彈性模量可隨著溫度的改變發(fā)生顯著的變化。溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下時，材料為玻璃態(tài)，彈性模量相對很大，在GPa量級；溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上時，材料為橡膠態(tài)，彈性模量急劇減小，在MPa量級。形狀記憶聚合物具有變形能力強、成本低、密度小、加工便捷、高形狀恢復(fù)率、轉(zhuǎn)變溫度可調(diào)等諸多優(yōu)點，促進(jìn)了其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[17]。形狀記憶聚合物復(fù)合材料及其應(yīng)用研究吸引了很多研究學(xué)者，如Keller P等[18],Lan X等[19],Behl M等[20],張阿櫻等[21],Yang Y等[22],Li F F等[23],Li W B等[24],Wang W等[25]，已經(jīng)在生物醫(yī)療、智能器件、航空航天、智能仿生等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。

本文利用介電彈性體的電致變形特性和形狀記憶聚合物的形狀記憶特性，以及變剛度特性，設(shè)計了一種智能多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)。首先建立了驅(qū)動器的理論模型，并確定了參數(shù)的選??；然后利用有限元軟件對所提出的驅(qū)動結(jié)構(gòu)彎曲和恢復(fù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲和恢復(fù)試驗，測量了恢復(fù)角度；最后基于理論和仿真結(jié)果對該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用優(yōu)化后的驅(qū)動器制備多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)，并對該抓取結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測試。

1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)理論模型的建立

筆者提出的基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的多穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，包括形狀記憶聚合物框架及粘貼在形狀記憶聚合物框架上的預(yù)拉伸介電彈性體薄膜。溫度升高時，當(dāng)消除外部約束后，形狀記憶聚合物框架在平面外彎曲，預(yù)拉伸的介電彈性體薄膜中儲存的一部分彈性能轉(zhuǎn)移到驅(qū)動器的形狀記憶聚合物框架中，以系統(tǒng)能量最小為依據(jù)，生成新的三維平衡構(gòu)型。當(dāng)驅(qū)動器展開時，再次升高環(huán)境溫度，在驅(qū)動器電極上施加電場力，介電彈性體薄膜應(yīng)力狀態(tài)改變，進(jìn)而薄膜的應(yīng)變能發(fā)生變化，在穩(wěn)定系統(tǒng)能量最小的原理下，驅(qū)動器重新展開為新的最小能量結(jié)構(gòu)[26]。依據(jù)能量法建立的理論模型見圖1。 其中，w為介電彈性體薄膜的寬度；l0、l為介電彈性體薄膜的初始長度和預(yù)拉伸后的長度；t0，t為介電彈性體薄膜的初始厚度和預(yù)拉伸后的厚度；b為形狀記憶聚合物框架彎曲部分的寬度；c為形狀記憶聚合物框架彎曲部分的長度；θ為形狀記憶聚合物框架的彎曲角度；d為形狀記憶聚合物框架的厚度。

圖1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的理論模型

該驅(qū)動器系統(tǒng)總能量包括形狀記憶聚合物框架的彎曲能量，介電彈性體薄膜的應(yīng)變能以及薄膜的電場能，具體表達(dá)式為

(1)

提出的多穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)為最小能量結(jié)構(gòu)，通過求解驅(qū)動器系統(tǒng)總能量表達(dá)式的局部極小值來確定結(jié)構(gòu)在平衡位置時的彎曲角度，即求解方程為

(2)

2 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

由上述計算與分析可知，提出的單個驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，為了保持驅(qū)動器系統(tǒng)能量最小，初始彎曲角度為20°～30°。驅(qū)動器結(jié)構(gòu)見圖2，尺寸參數(shù)取值見表1。

圖2 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

表1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)取值

3 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)仿真計算

筆者提出的多穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)主要包括形狀記憶聚合物框架和介電彈性體薄膜兩部分。其工作過程為：①在形狀記憶聚合物框架表面粘貼預(yù)拉伸后的介電彈性體薄膜，并涂覆導(dǎo)電碳脂在介電彈性表面，此時環(huán)境溫度低于聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，形狀記憶聚合物框架處于玻璃態(tài)，有較大的彈性模量，所研究的驅(qū)動器片層處于平直狀態(tài)。

之后升高環(huán)境溫度至聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，形狀記憶聚合物框架處于橡膠態(tài)，有較小的彈性模量，在介電彈性體薄膜預(yù)應(yīng)力的作用下驅(qū)動器結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲;②降低環(huán)境溫度至聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下，形狀記憶聚合物框架再次變?yōu)椴ＡB(tài)，彈性模量急劇增加，驅(qū)動器在彎曲狀態(tài)下被固定，即形狀記憶聚合物的臨時形狀;③再次升高環(huán)境溫度至聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，形狀記憶聚合物框架再次處于橡膠態(tài)，有較小的彈性模量;④保持環(huán)境溫度不變，對介電彈性體表面施加電壓，在電場力的作用下介電彈性體產(chǎn)生電致變形，彈性體內(nèi)的應(yīng)力減小。由于聚合物框架結(jié)構(gòu)的形狀記憶效應(yīng)，此時驅(qū)動器發(fā)生恢復(fù)，理論上可恢復(fù)至初始形狀，至此完成彎曲和恢復(fù)的整個工作過程。

邊界條件設(shè)置為多穩(wěn)態(tài)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)一端固支另一端自由，形狀記憶聚合物框架及介電彈性體薄膜材料參數(shù)見表1，驅(qū)動器載荷設(shè)置見圖3。仿真過程分析步設(shè)置見表2。

圖3 驅(qū)動器片層結(jié)構(gòu)及載荷設(shè)置

表2 仿真過程分析步設(shè)置

驅(qū)動器結(jié)構(gòu)自由端位移隨時間的變化曲線見圖4。由圖4可見，在高溫變形分析步內(nèi)，由于環(huán)境溫度高于形狀記憶聚合物框架玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，此時框架處于橡膠態(tài)，有較小的彈性模量，因此在介電彈性體薄膜預(yù)應(yīng)力的拉伸下，產(chǎn)生了較大的彎曲變形，在該分析步結(jié)束時，端部撓度達(dá)56.2 mm；在降溫固定分析步內(nèi)，環(huán)境溫度逐漸降至聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下，框架由橡膠態(tài)逐漸變?yōu)椴ＡB(tài)，彈性模量不斷增大，被固定在臨時形狀，此時端部撓度達(dá)43.1 mm；在再次升溫分析步內(nèi)，環(huán)境溫度升至聚合物框架玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，框架由玻璃態(tài)再次變?yōu)橄鹉z態(tài)，但端部撓度變化較小，彎曲變形基本保持不變；在通電恢復(fù)分析步內(nèi)，框架處于橡膠態(tài)，彈性模量較小，施加電場力后，介電彈性體薄膜產(chǎn)生電致變形，驅(qū)動器在形狀記憶聚合物框架的帶動下恢復(fù)，在計算結(jié)束時，驅(qū)動器保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，其自由有13.2 mm的撓度。

圖4 驅(qū)動器片層端部位移—時間曲線

高溫變形和通電恢復(fù)分析步驅(qū)動器結(jié)構(gòu)不同時刻的彎曲情形見圖5和圖6。由圖5可見，在高溫變形分析步內(nèi)，隨著時間的增大，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲變形也逐漸增大，在結(jié)束時達(dá)到最大。此分析步內(nèi)，環(huán)境溫度高于形狀記憶聚合物框架的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，框架處于橡膠態(tài)，彈性模量較低，在介電彈性體的預(yù)拉伸作用下，帶動驅(qū)動器發(fā)生彎曲，可用來演示驅(qū)動器結(jié)構(gòu)抓取物體的過程。由圖6可見，在通電恢復(fù)分析步內(nèi)，隨著時間的增大，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲變形逐漸減小，在90 s時保持穩(wěn)定。此分析步內(nèi)，框架仍處于橡膠態(tài)，介電彈性體薄膜產(chǎn)生電致變形后，驅(qū)動器在形狀記憶聚合物框架的帶動下恢復(fù)，對應(yīng)于抓取物體的釋放過程。

圖5 高溫變形內(nèi)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲變形

圖6 通電時驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的恢復(fù)變形

4 基于EAP和SMP的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)制備

基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的主體部分是由多個完全相同的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)組成的。每個驅(qū)動器結(jié)構(gòu)包括形狀記憶聚合物框架、預(yù)拉伸介電彈性體薄膜、電極和電極導(dǎo)線。在預(yù)拉伸介電彈性體薄膜上粘貼形狀記憶聚合物框架，將電極均勻涂抹在形狀記憶聚合物框架鏤空處，并布置好電極導(dǎo)線。

1)采用灌注法制備形狀記憶聚合物板，而后使用真空干燥箱進(jìn)行固化。制備過程如下：①制作模具。選擇兩塊大小合適且材質(zhì)完全相同的玻璃板，并清洗干凈。然后在玻璃板表面粘貼脫模布，粘貼時從玻璃板一側(cè)開始緩慢粘貼，避免產(chǎn)生氣泡。在兩塊玻璃板中間且距邊緣有一定距離處，填充入合適的硅膠條，起到密封的作用。3側(cè)填充硅膠條，另一側(cè)用于灌注溶液，并用夾子將兩塊玻璃板夾緊見圖7；②將配置好的樹脂溶液利用吸管從模具無硅膠條填充一側(cè)注入玻璃板中，注入完成后在室溫下靜置；③固化成型。將灌注好的形狀記憶聚合物板放入真空干燥箱，并設(shè)置好固化溫度和時間，完成固化后取出，將固化好的形狀記憶聚合物板從模具上取下。

圖7 形狀記憶聚合物板制備過程

2)制備SMP框架。利用激光切割機對所制備的形狀記憶聚合物板進(jìn)行切割，切割后的SMP框架見圖8。

圖8 多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)制作流程

3)預(yù)拉伸介電彈性體薄膜。筆者提出的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)使用3M公司的VHB4910丙烯酸雙面膠作為介電彈性體材料，這是一種完全透明的軟質(zhì)雙面膠帶，其本身具有較強的粘性，可直接與形狀記憶聚合物板進(jìn)行粘貼。對薄膜等雙軸預(yù)拉伸過程見圖8，拉伸倍率在200%×200%到300%×300%之間。

4)制作驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。將預(yù)拉伸的介電彈性體薄膜粘貼在切割好的形狀記憶聚合物框架上，粘貼過程中為了保證粘貼效果，盡量避免框架與薄膜之間產(chǎn)生氣泡，以免使用過程中二者分離而導(dǎo)致抓取結(jié)構(gòu)破壞。粘貼牢固后，將SMP框架沿著外邊框從介電彈性體薄膜上切割取下，在切割過程中，在外邊框處保留出一定尺寸的薄膜，防止粘貼不牢固薄膜從框架上脫離。制備過程中將導(dǎo)電碳膏均勻涂覆在薄膜兩側(cè)，作為電極。引線采用銅膠帶和銅絲相結(jié)合的方式布置，正負(fù)交替地放置在每塊電極上。驅(qū)動器實物見圖8。驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框架外圍尺寸為120 mm×40 mm，鏤空尺寸為20 mm×20 mm；本文采用單層介電彈性體，拉伸倍率約為250%×250%。

5)組裝抓取結(jié)構(gòu)。該抓取結(jié)構(gòu)由固定支座和多個驅(qū)動器結(jié)構(gòu)組合而成，二指抓取結(jié)構(gòu)實物見圖8。

5 基于EAP和SMP的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的抓取及釋放試驗

5.1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲及展開實驗

基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的主要組成部分為驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，利用驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲變形和恢復(fù)，實現(xiàn)抓取結(jié)構(gòu)的抓取及釋放功能。因此，在進(jìn)行抓取和釋放實驗之前，首先要進(jìn)行驅(qū)動器結(jié)構(gòu)彎曲變形及恢復(fù)實驗。實驗過程如下：

1)在恒溫箱中加熱所制備的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。與仿真分析相同，將恒溫箱溫度設(shè)置為69 ℃(圖9)。此時，隨著溫度的升高，形狀記憶聚合物框架結(jié)構(gòu)由玻璃態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，彈性模量急劇降低，外力作用下易發(fā)生變形。在預(yù)拉伸介電彈性體薄膜的作用下，處于橡膠態(tài)的框架向薄膜拉伸的一側(cè)彎曲，經(jīng)過一段時間后，到達(dá)平衡位置不再變化。然后降低驅(qū)動器溫度，將SMP框架固定在臨時形狀，初始彎曲狀態(tài)見圖10。

圖9 加電設(shè)備

圖10 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)恢復(fù)變形過程

2)將處于臨時形狀的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)連接上電源。加電設(shè)備包括直流電源和高壓放大器見圖9，其中的直流電源能夠產(chǎn)生0～20 V的電壓，最小量程為0.1 V，而電壓放大器可將電壓放大1 000倍。再次將驅(qū)動器放入恒溫箱中，溫度仍設(shè)置為69 ℃。加熱一段時間后，SMP框架處于橡膠態(tài)，此時打開電源，調(diào)節(jié)電壓大小，然后打開高壓放大器，對驅(qū)動器結(jié)構(gòu)進(jìn)行通電，通電電壓為7 kV；一段時間后，保持通電并降溫，待驅(qū)動器冷卻，并保持形狀不變時斷電，通電恢復(fù)后彎曲狀態(tài)見圖10。

驅(qū)動器初始彎曲角度和恢復(fù)后角度對比見圖11。由圖11可見，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為明顯的恢復(fù)。通過描繪驅(qū)動器結(jié)構(gòu)兩側(cè)的輪廓線，并利用CAD軟件測試其切線夾角，可清楚地表征驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的恢復(fù)情況。驅(qū)動器升溫變形并降溫冷卻后，彎曲角度為78°，升溫并通電恢復(fù)后驅(qū)動器彎曲角度為59°，變形恢復(fù)了19°。

圖11 驅(qū)動器初始彎曲角度和恢復(fù)后角度對比

5.2 多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的抓取及釋放實驗

以二指抓取結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行抓取及釋放實驗。本文所設(shè)計的抓取結(jié)構(gòu)，能夠通過調(diào)整，滿足實際需要，可包括兩個或多個驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。為了確保實現(xiàn)抓取及釋放功能，介電彈性體薄膜向驅(qū)動器里側(cè)進(jìn)行組裝，這是由驅(qū)動器結(jié)構(gòu)朝著介電彈性體薄膜一側(cè)彎曲變形決定的。另外，驅(qū)動器片層結(jié)構(gòu)與固定支座的位置關(guān)系也可以根據(jù)實際情況在0°～90°進(jìn)行調(diào)整。本次實驗中將驅(qū)動器片層結(jié)構(gòu)與固定支座之間的夾角設(shè)置為90°。驅(qū)動結(jié)構(gòu)、抓取結(jié)構(gòu)以及抓取物體見圖12。

圖12 驅(qū)動結(jié)構(gòu)、抓取結(jié)構(gòu)、抓取物體實物圖

將制作好的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)放入恒溫箱中進(jìn)行加熱，并設(shè)置溫度為69 ℃。一段時間后，由于預(yù)拉伸介電彈性體的作用，驅(qū)動器發(fā)生彎曲變形，對物體進(jìn)行抓取。然后降低驅(qū)動器環(huán)境溫度至室溫，一段時間后驅(qū)動器保持在臨時形狀，成功將物體抓取，見圖13。對多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的抓取重量也進(jìn)行了測試與試驗，方法如下：在空瓶中注入不同體積的水，進(jìn)行抓取實驗，而后計算對應(yīng)抓取物體的重量。實驗過程中，瓶中水的高度分別為15、30、45、60 mm，均成功完成抓取實驗，不同高度的水位及對應(yīng)的質(zhì)量見表3。由表3可見，該抓取結(jié)構(gòu)可以抓取約1.77 N的物體。

表3 抓取物體瓶中水位—質(zhì)量對比

圖13 基于EAP和SMP的多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)的抓取試驗

對多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)做釋放試驗。升高驅(qū)動器環(huán)境溫度，對完成抓取的抓取結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行加熱，溫度仍然設(shè)置為69 ℃，形狀記憶聚合物框架處于橡膠態(tài)，一段時間后使用電源對介電彈性體進(jìn)行通電，通電電壓為7 kV(圖14)。由圖14可見，該抓取結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的形狀恢復(fù)，并把物體成功釋放，驗證了該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的可行性。

圖14 抓取結(jié)構(gòu)的抓取—釋放對比

6 結(jié) 論

本文基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的優(yōu)異特性，設(shè)計并制備了一種智能多穩(wěn)態(tài)抓取結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要利用介電彈性體的電致變形特性和形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)及變剛度特性來完成抓取和釋放的功能。建立了驅(qū)動器的理論模型，提出了合適的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的彎曲和恢復(fù)過程，并對驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲和恢復(fù)試驗；研制了多穩(wěn)態(tài)智能抓取結(jié)構(gòu)，并對該抓取結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測試。