CN115666750A - 介电弹性体微纤维致动器 - Google Patents

介电弹性体微纤维致动器 Download PDF

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CN115666750A CN202180037897.3A CN202180037897A CN115666750A CN 115666750 A CN115666750 A CN 115666750A CN 202180037897 A CN202180037897 A CN 202180037897A CN 115666750 A CN115666750 A CN 115666750A
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Abstract

本文中公开了用于通过在由介电弹性体微纤维构成的束之间形成机械连接和电气连接来制造DEMA的方法和系统，所述由介电弹性体微纤维构成的束包括每个微纤维的面和支撑元件之间的直接机械连接，以及所有微纤维的芯和金属接触件之间的直接电气连接。还公开了介电弹性体(DE)微纤维，所述DE微纤维包括内电极、中空管和外电极，其中外径和内径之间的比率α使作为致动器的此类纤维的机电性能最大化。

Description

介电弹性体微纤维致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年4月2日提交的第63/003,921号美国临时申请和2020年4月2日提交的第63/003,922号美国临时申请的优先权，每个临时申请的公开内容的全文出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
政府权利
本发明是部分地在根据由美国DOI/DARPA授予的第140D0420C0040号合同的政府支持下进行的。政府可拥有本发明中的某些权利。
发明领域
本发明属于人造肌肉和致动器的领域。本发明还属于机器人和假体的领域。
背景技术
对高性能机器人致动器的需要。机器人系统将解决极重要的社会经济问题，这是因为它们变得更有能力、更安全且有成本效益。为了解决这些问题，需要新一代的低成本、高灵巧性的合作机器人、有效外骨骼和无缝假体。用于这些机器人系统的大多数组件—传感器、计算、算法或遥控、连接性和电池—足够成熟且有成本效益，只是一个关键领域除外：致动器。这些应用需要机器人来执行非周期性的任意运动，并且因此需要坚固且快速、足够精确、可控制且又小并轻量的致动器。对于无缆应用，效率对于减小电池大小极重要。为了与人进行安全的交互，装置必须是固有地柔顺的且轻量的，并且对于假体和军用机器人，致动器必须安静。尽管有巨大努力，但致动器尚未出现任何显著的创新且仍受电磁马达的基本原理的限制。
迄今为止，当今可用于机器人的最佳致动器是电动马达和液压驱动器，但它们复杂、沉重、低效、与人交互不安全且昂贵。电动马达在以低速操作时极其低效，这是因为它们具有低转矩密度—随着马达变小而变得更糟的问题。液压致动器具有较高转矩密度，但阀、泵和附件的质量限制全系统范围的转矩密度。高度齿轮传动的马达和阀控制的液压致动器遭受高机械阻抗(即它们具有高输出摩擦、刚性和大反射惯性)。这些特性一般来说是成问题的，但对于被设计为与人交互的机器人来说甚至更成问题的，其中肢体轻巧度和被动背向驱动性对于力介导交互是合乎需要的且对于安全性是极重要的。可通过使用轻度齿轮传动的马达或闭环力反馈控制来减小关节阻抗，但由于低转矩密度，马达常常太重而无法放置在远侧关节内部。代替地，为了减小肢体惯性，可将马达放置在机器人的主体内部且经由传动装置连接到远侧关节，然而，多链路铰接缆线驱动器增加了设计复杂性、成本和重量，并且鲍登(Bowden)缆线(例如自行车缆线刹车装置)遭受高静态摩擦、磨损和非线性行为。在具有低摩擦线性缸或可逆旋转流体泵的流体静压配置中使用流体致动器是替代方案，但这些需要闭环控制以防止泄漏并维持输入输出同步，并且所需的高压会造成针孔泄漏的严重危险。总的来说，当前致动技术是开发安全的、有能力的且完全自主的机器人和假体的瓶颈。因此，持续需要改进用于不依赖于电动马达和液压驱动器的机器人和其它应用的致动技术。所公开的发明涉及这些和其它重要需要。
介电弹性体微纤维是用于实现用于一般机器人和假体应用的低成本高性能致动器的有前景的候选者。呈现为同轴电容器的此类致动器充分利用介电弹性体材料的非凡机电性质以产生非常类似于自然肌肉的性能的有用且可缩放的运动。通过其产生张力的能力，并且通过模仿自然肌肉的分层结构，介电弹性体微纤维换能器有望实现用于机器人和假体系统的真实“人造肌肉”。
在2000年代早期，介电弹性体(Dielectric Elastomer；DE)被认为是用于制造能够解决机器人致动问题的人造肌肉的有前景的材料，这是归因于所述材料具有快速响应时间(<0.1s)、高能量密度、大应变能力、低成本、无声操作和长使用寿命。对于过去的二十年，研究主要集中于由弹性体膜组成的DE致动器，所述弹性体膜充当绝缘体，其包夹在形成平行板电容器的两个柔顺电极之间(比较图1a)。基于DE膜的致动器可实现大于100％的致动应变，但由于这些材料需要高电场，并且难以制造极薄的膜，故这些致动器通常需要高驱动电压(500V至10,000V)，这使集成到机器人系统中的过程变复杂。DE膜不会很好地缩放到大型致动器中，这是因为杂质或缺陷使膜易遭受灾难性故障(介电击穿)，并且它们难以堆叠。尽管已尝试许多配置和应用，但尚无可能从DE膜提取切实可行的运动，即用于制造人造肌肉。
DE微纤维致动器(DE microfiber actuator；DEMA)克服了基于膜的DE致动器的限制。可参考US7834527获得最初描述DEMA的开创性专利，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。代替使用平行板电容器，DEMA实施包括多个纤维的同轴电容器设计(图1b)。这些纤维可按比例缩小到直径为几微米且以极低成本生产。使用小直径纤维，DEMA可在低电压(<600V)下操作且产生可直接用于驱动机器人关节的张力，就像自然肌肉拉动骨骼一样。数千个纤维可捆束在一起以增加可靠性且产生坚固、可缩放的致动器，所述致动器可最终实现DE材料作为人造肌肉的全部潜力。
DEMA提供用于机器人的低成本高性能致动器，且实现全新一代的机器人。归因于这些致动器的类似肌肉的性能，机器人现在可被设计为能够高能力地和高安全性地与人交互。它们最终将能够离开工厂车间并用于大量的新应用，如许多科幻故事中所设想的那样。然而，如今虚构的事变成了现实。就像晶体管是实现IT革命的基石一样，切实可行的DE微纤维致动器是实现机器人革命的基石，从而改变了我们熟悉的文明。
关于介电弹性体微纤维致动器(DEMA)的显著特征是，许多纤维可捆束在一起，使得由每个个别纤维产生的力可加在一起以产生极坚固的致动器。实现此情形会要求将个别纤维电气连接，因此其可被激活且机械连接以传输其力。遗憾的是，形成电气连接和机械连接会呈现物理和材料兼容性挑战。
从机械观点来看，先前的公开内容和实施方式认为，在捆束的DEMA内，个别纤维仅在束密封件处彼此机械连接，且束密封件然后仅在边缘处附接到盖上，并且盖然后将负载转移到感兴趣的系统。这对于具有大量捆束的纤维和增加的整体横截面面积的DEMA造成了严重的可缩放性问题。问题是，束密封件的中心区域内的纤维必须通过相邻的纤维将机械负载横向地传输到束密封件的周边。这导致力朝向边缘逐渐累积且产生朝向束密封件的中心的大变形。这类似于梁弯曲分析，但扩展到3D弹性表面。恰当的类比将是蹦床在均一地负载有雪时经历的变形：随着最终所有应力转移到周边，表面的中心显著地偏转，并且存在朝向束密封件的周边增长的剪应力集中。
从电气观点来看，先前的公开内容和实施方式认为，在捆束的DEMA内，个别纤维的芯通过填充共同空腔的共同块状流体导体而电气互连。鉴于归因于机械负载(上文所描述)的非均一变形，此空腔将需要相应地变形且产生朝向边缘的较薄区域，这又将导致导电性较差。总的来说，机械变形将产生不合需要的非均一导电性。因此，持续需要改进DEMA设计和DEMA材料以克服这些技术挑战。
所公开的发明涉及这些和其它重要需要。
发明内容
本发明提供一种导电粘合剂衬底和其它方法以实现以下双重功能：通过单个块状接触介质电气连接和机械连接DEMA束中的至少大部分且优选地为至少大致上全部微纤维，由此解决先前挑战并实现具有大量纤维的DEMA。此双重功能连接粘合剂的实施方案还解决了材料兼容性问题，这是因为粘合剂在存在导电芯流体电极的情况下将DE微纤维材料接合到盖材料。
本发明还提供用于在介电弹性体微纤维的束之间形成机械连接和电气连接的方法和系统，介电弹性体微纤维的束包括每个微纤维的表面和支撑元件之间的直接机械连接，以及大多数、至少大致上全部或全部微纤维的芯和金属接触件或导电接触件之间的直接电气连接。这些连接是通过具有粘合性质的块状材料来建立的，块状材料在一个表面上接合到导电盖且在另一个表面上接合到每个微纤维的环形面。以此方式，其在导电盖和纤维边缘之间产生粘合剂薄膜。粘合剂可另外在束密封件和导电接触件之间建立接合。同时，此粘合剂具有导电性质且还通过薄膜在导电接触件和纤维的导电芯之间产生导电路径。
本发明还提供用于机电连接多个介电弹性体微纤维的束的方法和系统，多个介电弹性体微纤维的束包括：每个介电弹性微纤维的面(圆柱形环边缘)和支撑元件(端盖)之间的直接机械连接；以及全部微纤维的芯和金属或导电接触件之间的直接电气连接。
本发明还提供用于机电连接多个介电弹性体微纤维的束的方法和系统，多个介电弹性体微纤维的束包括：多个介电弹性微纤维的面(外围边缘)和支撑元件(端盖)之间的直接机械连接；以及全部微纤维的芯和金属或导电接触件之间的直接电气连接。
本发明还提供DE微纤维，DE微纤维包括：中空纤维主体，中空纤维主体被表征为具有外径和内径；内柔顺电极，内柔顺电极设置在中空纤维主体的内部；以及外柔顺电极，外柔顺电极设置在中空纤维主体的外部，其中中空纤维主体的外径对内径的比率α是被选择为使作为致动器的DE微纤维的机电性能最大化的重要设计参数。
本发明还提供介电弹性体(DE)微纤维，DE微纤维包括内电极、中空管和外电极，其中中空管的外径和内径之间的比率α使作为致动器的此类纤维的机电性能最大化。比率α的合适值优选地被选择为使微纤维的机械能输出最大化。在一些实施方式中，比率α被选择为使有效功密度最大化。在其它实施方式中，比率α被选择为使有效比能量最大化。一些实施方式，比率α被选择为使机械功率密度最大化。在一些实施方式中，比率α被选择为使机械比功率最大化。其它实施方式，比率α被选择为使有效应变最大化。在其它实施方式中，比率α被选择为使有效应力最大化。在一些实施方式中，比率α具有在约1.1和3之间的值。
在某些优选实施方式中，本发明还提供DE微纤维，DE微纤维包括：中空纤维主体，中空纤维主体被表征为具有外径和内径；内柔顺电极，内柔顺电极设置在中空纤维主体的内部；以及外柔顺电极，外柔顺电极设置在中空纤维主体的外部，其中中空纤维主体的外径和内径的比率α被选择为使作为致动器的DE微纤维的机电性能最大化。
本发明还提供介电弹性体(DE)微纤维，DE微纤维包括内电极、中空管和外电极，其中使DE纤维带电所需的电气RC时间常数低于约1000毫秒(ms)，优选地低于约500ms，且更优选地低于约200ms。在一些实施方式中，OD被减小为实施较高电阻率芯，较高电阻率芯隔离介电击穿且使得在目标操作电压下在束内的1000个纤维中的故障率小于1。在一些实施方式中，所述芯的电阻率被设计为使得纤维具有低于200的电气时间常数。在其它实施方式中，所述芯的尺度(OD)、比率α和电阻率被设计为使得纤维具有与目标系统的机械时间常数匹配但不较低的电气时间常数。
本发明还提供介电弹性体(DE)微纤维，DE微纤维包括内电极、中空管和外电极，其中所述DE微纤维的中空纤维主体可包括以下弹性体材料中的一者或多者：硅酮、热固性塑料、热塑性塑料、聚氨酯、聚酯、丙烯酸树脂和(甲基)丙烯酸树脂。
本发明还提供介电弹性体(DE)微纤维，DE微纤维包括内电极、中空管和外电极，其中所述DE微纤维的中空纤维主体由被表征为具有在以下范围内的杨氏模量的材料制成：在约100kPa至约5,000kPa之间，优选地在约300kPa至约2400kPa之间，或在约400kPa和约2000kPa之间，更优选地在约500kPa和1500kPa之间，且甚至更优选地在约600kPa和约1200kPa之间。
一般描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，且不限制如所附权利要求书中所定义的本发明。鉴于如本文中所提供的本发明的详细描述，所属领域的技术人员将清楚本发明的其它方面。
附图简要说明
当结合附图阅读时，将进一步理解发明内容以及以下具体实施方式。出于说明本发明的目的，在附图中展示了本发明的示例性实施方式；然而，本发明不限于所公开的特定方法、组成物和装置。另外，附图不一定按比例绘制。在附图中：
图1示出(a)基于膜的DE致动器相较于(b)基于纤维的DE致动器的操作原理；
图2a示出根据本发明的DEMA的实施方式；图2b示出根据本发明的DEMA的部分分解图的实施方式；图2c示出根据本发明的DEMA的横截面图的实施方式；
图3描绘根据本发明的DEMA的若干实施方式的照片；
图4示出介电弹性体纤维致动器的纤维几何特性，标记了关键特征和设计尺寸；
图5示出根据本发明制造的多种DEMA的应变-应变操作特性，提供了以下数据曲线：a)由硅酮弹性体化合物制成且被设计为使其最大有效功密度最大化的DEMA的模拟应力(stress)相较于应变(strain)和激活电压(V)，(灰色阴影区)。b)DEMA纤维的α对应变相较于应力操作空间的影响的图示。c)作为α(α＝纤维OD/ID)的函数的DEMA产生的有效功密度(跨每单位体积的应变的应力)，展示了在α＝1.9周围的最有效点(sweet spot)。d)来自用市售的硅酮弹性体材料制造的DEMA的数据，所述数据展现机电响应(应力随应变和激活电压而变)；
图6示出中空缸的材料参数α和杨氏模量可如何变化以控制致动器性能；
图7a和图7b分别提供来自两个不同DE微纤维(样品A和样品B)的横截面的一系列微图像；图7c和图7d分别提供用于测量DE纤维的外径OD和内径ID的横截面微图像的样品A和样品B的图像分析结果的标绘图；
图8是比较由不同大小的DE微纤维制造的DEMA的应变(％)与激活电压(V)的数据标绘图，被表征为α＝2.05(正方形)和α＝2.55(三角形)；并且
图9a示出根据本发明制造的DEMA的实施方式的透视横截面图，并且图9b示出根据本发明制造的DEMA的实施例的透视截面图。
具体实施方式
通过参考结合形成本公开的一部分的附图和示例进行的以下详细描述，可更容易地理解本发明。应理解，本发明不限于本文中所描述和/或展示的特定装置、方法、应用、条件或参数，并且本文中所使用的术语仅出于借助于示例描述特定实施方式的目的且不意欲限制所要求保护的发明。此外，如包括所附权利要求书的说明书中所使用，单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括复数，并且除非上下文另有明确规定，否则对特定数值的引用至少包括所述特定值。如本文中所使用，术语“多个”意指多于一个。当表述值的范围时，另一个实施方式包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，应理解，特定值形成另一个实施方式。所有范围都是包括性的且可组合的。
应了解，本发明的为了清楚起见而在本文中在分开的实施方式的上下文中所描述的某些特征还可在单个实施方式中组合地提供。相反地，本发明的为了简洁起见而在单个实施方式的上下文中描述的各种特征还可分开地或以任何子组合形式提供。另外，对范围中所陈述的值的引用包括所述范围内的每个值。
术语
如本文中所使用，术语“纤维”和“微纤维”可互换地使用。
如本文中所使用，术语“DEMA”、“纤维”和“微纤维”可互换地使用。
图1示出现有技术的(a)基于膜的DE致动器和(b)基于纤维的DE致动器的操作原理。a)基于膜的DE致动器的操作模式的图示。弹性绝缘体膜包夹在两个柔顺电极之间。所述绝缘体通常使用框架被预加应变。当施加电压时，电极带电，并且库仑力挤压绝缘体，从而使绝缘体展平并使所述膜在两个维度上伸长。b)基于纤维的DE致动器的操作模式的图示。弹性绝缘体中空纤维填充有流体电极(正电极)且由负电极包围。当施加电压时，电极带电，并且库仑力径向地挤压纤维，从而使纤维的长度增长。当移除电压时，弹性体的弹性性质在基于膜和基于纤维的DE致动器中产生可移动外部负载的张力。在另一个实施方式中，内流体电极可为负电极，并且微纤维可由正电极包围。流体电极提供优点，这是因为它们不存在弹性力，但可使用其它柔顺电极。在另一个实施方式中，内柔顺电极可仅应用于内表面。
参看图2a，DEMA 200包括纤维阵列201，所述纤维阵列包括多个DE微纤维202，所述多个DE微纤维是通过从每个远端处的填充物或灌注材料形成束密封件206而制成，此填充物材料可为用于制造所述DE微纤维202的相同材料或不同材料，所述材料将所述DE微纤维的内纤芯203与其外表面隔离。每个束密封件206被展示为具有边缘212和面213。所述束密封件206的面213是指所述纤维202和所述纤芯203的远端。所述束密封件是将所有所述纤维粘合在一起且将端(芯)与护套(或中间区段)分离的束部分。
参看图2b，DEMA 200被展示为具有包围所述纤维阵列201和所述束密封件203的包封套筒204。两个绝缘盖211(被展示为经移除以示出其内的纤维阵列)设置在所述DEMA的远端处，每个绝缘盖具有机电接触件205。绝缘盖211可由覆盖并使其电气绝缘机电接触件205的电气绝缘材料制成。
图2c提供DEMA 200的纵向横截面图，其示出在横截面中的多个DE微纤维202以揭示所述纤芯203，所述纤芯填充有柔顺导电电极材料以与设置在每个远端处的导电粘合剂207进行电气通信，以将多个DE微纤维202和所述束密封件206机械接合和电气连接到每个端处的机电接触件205。所述导电粘合剂207将所述DE纤维202的远端的面机械粘合到所述机电接触件205并电气连接所述纤芯203的内部。还展示了柔顺接地电极208，其由包围每个所述DE微纤维202的外部的柔顺导电材料或介质(例如导电流体)制成。所述DE微纤维202包括弹性体材料，其形成所述中空(当未填充时)微纤维的圆柱形壁且因此形成所述微纤维的远端面，所述远端面经由所述导电粘合剂207密封到所述机电接触件205。机电接触件205通常是所述绝缘盖211的部分，其是导电的且充当所述捆束的纤维和安装有其以用于致动的系统(例如机器人系统)之间的机械连接器和电气连接器。
图9a和图9b中进一步示出根据本发明的实施方式的所述微纤维束与所述束密封件的机电连接的设计的实施方式。图9a示出根据本发明制造的DEMA的一部分的实施方式的透视横截面图。纤维阵列901被展示为由束密封件906包封，所述束密封件906包括形成所述密封件的侧壁的边缘912。所述束密封件的面913还被展示为定位成与所述纤维阵列内的纤维的远端齐平，远端被描绘为所述纤维端902的包围所述纤芯903的面。在操作期间，纤芯903填充有柔顺电极材料，例如合适的导电流体，并且所述纤维阵列901还具有合适的柔顺电极材料，所述柔顺电极材料定位成与具有阵列901的每个纤维的外部直接相邻。图9b示出根据本发明制造的DEMA的实施方式的透视截面图。图9b示出根据本发明制造的DEMA的一部分的实施方式的透视截面图。所述DEMA类似于图9a中的DEMA，但还包括导电粘合剂层907以将机电接触件905机电接合到所述束密封件的面，以及机电接合到所述远侧纤维端的面，并与所述纤芯内的所述柔顺电极材料维持导电性。
可通过使用导电粘合剂或化合物实现合适的机械连接和电气连接。举例来说，所述粘合剂可为可在存在流体电极的情况下直接接合到所述微纤维材料的导电粘合剂。在所述芯电极为非流体的实施方法中，所述粘合剂还可接合到所述芯电极。在存在所述纤维材料、所述导电芯电极和所述导电盖的情况下，粘合剂必须具有适当的固化性质或化学反应以建立接合。合适的粘合剂包括具有适当的掺杂剂或填充剂以使其导电的环氧树脂、硅酮和氰基丙烯酸酯。电气连接可通过在所述微纤维的所述芯和导电接触件之间形成流体空腔来实现，其中机械连接可在束的密封件的边缘处实现。导电支撑件具有与所述微纤维束的所述芯对准的引脚或接触件阵列，并且其中所述引脚插入到所述芯中。在一些实施方式中，所述机械连接由粘合剂加强。
在某些实施方式中，所述电气连接可由类似于集成电路的接合垫环和接合线实现。
在某些实施方式中，所述机械连接可由所述束密封件的面或边缘上的粘合剂实现。
在一个实施方式中，导电的专用粘合剂或接合材料被施加到经成形以覆盖所述束密封件的整个开放面的金属接触件或导电接触件，且然后被接合到所述束密封件的所述开放面。以此方式，所述粘合剂或接合材料在所述金属接触件或导电接触件和所述纤芯、所述纤维主体和所述束密封件材料之间产生中间层。通过此方法，所述金属接触件或导电接触件(通过所述导电粘合剂或接合材料)电气连接到所有微纤维的芯，且允许电荷向全部纤芯中传入或从全部纤芯中传输出。通过此方法，所有纤维的主体和所述束密封件材料机械连接到所述金属接触件，且允许力(和或应力或张力)在每个纤维和所述金属接触件之间传输以在外部负载上产生运动。
导电粘合剂或接合材料优选地被选择为具有以下独特性质：
1.其导电，具有小于约400ohm cm的体积电阻率。
2.其可直接或经由使用引物和预处理而接合到所述纤维材料，例如硅酮弹性体材料，以产生大于约100kPa的拉伸接合强度。
3.其可在存在流体电极的情况下固化，其中此类电极可由水、导电油脂、离子流体或其它物质制成。
在另一个实施方式中，代替使用块状金属接触件，通过具有图案化连接性的硅酮中介层集成电路或细间距的PCB进行连接，使得纤维子集连接到图案的一部分且可与其它子集隔离。在此实施方式中，粘合剂或接合材料具有轴向导电性比横向导电性高得多的额外性质，或替代地，此粘合剂可以将纤维子集彼此隔离的方式图案化。
在另一个实施方式中，代替使用粘合剂或接合材料，此体积由流体空腔组成，填充有与所述纤维相同的电极，使得所述纤芯直接电气连接到金属接触件或导电接触件。在此实施方式中，在束密封件的周边(并非面)处进行所述机械连接，或经由靠近由面和周边限定的边缘的合适扁平环接触件进行所述机械连接。所述机械连接可用粘合剂、经由所述束密封件材料的直接浇铸、经由一些其它热方法或化学方法或经由机械夹或接头来实现。
在另一个实施方式中，所述金属接触件或导电接触件具有一系列引脚(或针)，所述引脚(或针)与纤维对准并插入到芯中以建立电气连接。在此实施方式中，所述机械连接可通过引脚到所述纤维中的简单摩擦、经由所述束密封件的面上的粘合剂、经由所述束密封件的周边上的连接或以上各者的任何组合来实现。
在另一个实施方式中，所述金属连接被成形为使得其具有围绕所述束密封件面(6)的一组电接触件，接合线可附接到所述电接触件并且此类接合线连接到所述纤芯(2)。此实施方式类似于具有边缘垫的标准IC封装。在此实施方式中，可通过先前所描述的方法中的任一者进行机械连接。
如下文在实施例章节中进一步所描述来制备DEMA。图3提供在添加所述导电流体以包围所述纤维或在所述芯内之前制造的，且无导电粘合剂的若干“干”DEMA的照片。“干”DEMA 300被展示为包括纤维阵列301，其远端是用束密封件306包封。所述束密封件306将纤维302的端固持在一起以将每个开放纤芯303呈现在所述束密封件的面313处。
将DEMA设计为高性能致动器。介电弹性体微纤维致动器(DEMA)可被设计为提供机械性质和电气性质的正确平衡来解决一般机器人系统的需要。通过选择特定介电弹性体(DE)材料(或掺合物)且通过控制DEMA的几何形状和尺度，我们可设计致动器的能量密度、有效应变、阻断应力和有效应力、硬度、效率、响应时间和许多其它关键性质以适合机器人应用。本文中描述了被设计为使致动性能沿着其若干关键尺寸最大化的DEMA。
如本文中所描述，我们将使用位移和力的尺度不变测度。因此，代替描述给定DEMA的长度和致动位移要求，我们使用被描述为应变的DEMA的相对伸长率，所述应变被计算为应变＝(长度/初始_长度)-1。代替描述DEMA可产生的力，我们考虑被定义为应力＝力/横_截面_面积的应力。横_截面_面积＝Pi*(OD/2)^2。以此方式，由多个构成的DEMA致动器产生的力可通过来自所有纤维的所有横截面面积的总和乘以固有应力来计算。通过这些尺度不变度量，我们可量化个别纤维以及大型集成致动器的固有性能。我们还可描述针对个别纤维直接转换成集成致动器的宏观尺度优化的固有优化方法。
DEMA的机电性能是通过其材料和其几何形状的机电性质的组合来确定的。
从材料观点来看，表征所述微纤维主体的关键材料性质是：其弹性模量(杨氏模量)、其介电常数和其击穿电压；并且对于电极材料，关键性质是其体积电导率。我们已发现关于DEMA材料的弹性模量的最有效点，其中材料具有约600kPA和约1200kPa之间的模量。关于其它性质，材料应具有最高可能的介电常数和最高可能的介电击穿电压，使得其能够保持尽可能多的电荷。一些其它期望的性质是低粘性损失、低介电损失、低滞后、低温相关性、无蠕变和高可靠性。
关于DEMA的几何形状，对于任何给定材料，纤维的尺寸在确定它们的性能方面起基本作用。参看图4，DEMA 400的特征可为其纤维主体外部(外)径401(OD)、其纤维主体内径402(ID)、外径401对内径402的比率α＝OD/ID和其长度406(L)。出人意料的是，我们已发现，对于给定DE材料，α比率是用于控制DEMA的性能度量的重要尺度不变设计参数，且可被选择为使其特定机械能力最大化。我们已出人意料地发现，对于由特定DE材料制成的DEMA，α的选择确定最大能量密度、有效应变、阻断应力、硬度和效率，并且对于不同DE材料，最优的α稍微不同。一旦α被选择，由纤维的外径限定的纤维的一般尺度就将确定其操作电压和可靠性。
通过仔细地设计正确的α值，我们可产生被设计为产生以下各者的DEMA：每单位质量的最多机械功(力*位移，或应力*应变)，也被称为比能量；或替代地，每单位体积的最多机械功，也被称为能量密度。这两者都是用于机器人系统的基本致动器性能度量。另外，α可被设计为在适当时控制其它度量。
图5a展示模拟的DEMA的预期机电行为，并且图5d展示早期原型的测量结果。用于产生这些图的协议如下：将单个DEMA安装在机电测试器上以用于表征(图5d)，或计算模拟的系统(图5a)。所述机电测试器拉伸DEMA，且然后返回到其初始长度，同时记录所得的张力。所述机电测试器重复拉伸和松弛循环，同时通过每个循环施加不同的激活电压以表征所述DEMA的机电行为。此表征结果是所测量的DEMA力相较于其长度和激活电压。图5a展示对零激活电压(Vo)和对最大激活电压(Vmax)的DEMA响应。图5d展示对从零(Vo)到最大激活电压(逐渐较暗的圆)的范围内的若干激活电压的DEMA响应。对于尺度不变性，将长度转换成应变(其中应变＝长度/初始_长度-1)，并且将力转换成应力(其中应力＝力/初始_横截面_面积)。
DEMA可产生的机械功可通过分析来自图5a和图5d的数据来计算。DEMA可产生的最大机械功是通过零激活电压和最大激活电压的曲线内的操作区来确定的。存在可限定此区的若干方式，其全部都被视为用于本发明。作为示例，图5a示出一种方法，其中将有效_应力值选择为用于限定操作区域的目标参数。此有效_应力限定致动器将能够经由其目标操作而产生的保证应力(或力)。基于有效_应力，当选择零激活时产生此应力所必要的最小预应变值。将最大应变值选择为DEMA可在最大电压激活下产生有效应力时的应变值。根据此定义，DEMA可产生的最大机械功是最小应力和最大应力之间以及最小应变和最大应变之间限定的面积。
图5b示出具有不同α比率的模拟的DEMA的机电行为。可看出，对于低α比率，DEMA的应力-应变响应变得非常浅(shallow)，这是因为DEMA的横截面具有极少的弹性体。替代地，对于高α值，应力-应变响应变得极陡，这是因为横截面具有大量的弹性体。图5b展示：对于α的低值和高值，操作区域(对于任何有效_应力)如何变得极窄，并且因而，DEMA可产生的机械功减弱。然而，存在最有效点，在所述最有效点处，操作区域最大。
在计算(或测量)给定致动器可能产生的机械功之后，为了促进由不同材料制成的DEMA之间的比较，有用的是将致动器的机械功除以其体积(以取得功_密度)或除以其质量(以取得其比_能量)。图5c展示：对于给定材料，功密度如何随着α而变化，并且如何存在使DEMA的性能最大化的最优α值。此外，图5c展示：在α＝2的值周围如何存在窄峰值和从那些值的急剧下降。因而，在此范围内识别和选择α的过程是本发明的基本组件。
通过仔细地选择特定材料的α值，我们可设计在其性能最有效点处操作的DEMA。举例来说，图5c展示DEMA的有效功密度如何受所选择的α比率影响。因此，合适的DEMA的α值在约1.2和约4之间，优选地在约1.3和约3之间，甚至更优选地在约1.5和约2.5之间，甚至更优选地在约1.7和约2.2之间，且最优选地在约1.8和2.1之间。
并且通过仔细地选择OD，我们可设计具有最低可能的操作电压但同时具有正确反应时间以用于其应用的纤维。最后，受纤维的长度(6)影响的主要参数是纤维的也取决于OD(1)的尺度的电气RC时间常数。
图5a至图5b展示如根据第一原理模拟的DEMA的操作空间。参看图5a，虚线(Vo)描述DEMA在从0到140％加应变时的被动行为。随着所述DEMA拉伸，归因于所述纤维材料(4)的弹性性质，所述纤维产生类似于弹性元件的应力。在所述芯(3)和所述纤维(5)的外表面之间施加电压时，累积在由纤维(3、4、5)形成的同轴电容器上的电荷产生径向地挤压纤维并使其减小张力的静电应力(或麦克斯韦应力)。平行于Vo线的黑线示出此情形。点线Vmax示出在材料达到介电击穿之前在最大可能的操作电压(具有安全因子)下纤维的应力相较于应变行为。总的来说，通过在任何给定应变下将特定电压施加到DEMA，机器人系统的设计者可命令所述DEMA在其操作范围内产生任何应力。值得注意的是，为了使所述DEMA产生任何初始应力，其必须被预加应变，并且存在可在其内激活所述DEMA以产生零应力的区域。机器人设计者将学着充分利用操作空间以适合她的应用。
当针对特定应用设计DEMA时，减小所述OD(1)会减小所述操作电压且因而是极期望的优化。对于给定α值，减小OD(1)还会增加纤维束的可靠性，这是因为每个纤维将展现较佳的自隔离性质(下文所描述)。在不受任何操作理论限制的情况下，针对任何给定长度的纤维减小OD的折中是，这将增加所述芯电阻且因此增加所述电气RC时间常数。因此，对于给定应用，存在应将OD减小到何等程度的限制。纤维具有已知长度的给定致动器将具有由所述纤维长度、所述α值和其OD限定的电气RC时间常数。因此，一旦设定致动器的必要长度，就可设定通常由纤维的OD控管的纤维尺度以确保所述DEMA的电气时间常数快于应用所需的电气时间常数。
图5b展示DEMA的操作空间如何受α的选择影响。对于任何给定DE材料，低α值(例如约1.1)产生具有极薄壁的微纤维，其归因于少量弹性体材料而具有极低的有效弹性模量，且在被致动或加应变时通常无法产生明显的应力。与此对比，具有极高α值(例如约6)的DEMA产生具有极厚壁的微纤维，其归因于大量弹性体材料而具有高有效弹性模量。尽管具有厚壁的微纤维可产生相当大的应力，但它们太硬，且因此其电活性响应减弱，从而具有较小操作空间且最终能够产生较少机械能输出。对于图5b中所示出的材料，α的最优值是约1.6，其平衡所述弹性体材料的硬度以使所述操作空间最大化并产生最大机械能输出。
关于可靠性，DEMA相比于基于膜的介电弹性体致动器具有独特的优点。此优点来自以下事实：在具有预定义α值的DEMA中，将所述OD减小且因此将所述ID减小到小的值(例如小于约200μm)会引起内电极的电阻增加，这是因为此导体的面积减小。此电阻增加是有利的，这是因为当归因于介电击穿的故障沿着纤维长度发生时，此故障点或短路自然地与其它纤维隔离并经由芯的高电阻而与电源隔离。在某种意义上，小DEMA芯的高电阻产生轻微短路，其在相当大的程度上将故障点与个别纤维的其余部分隔离并与DEMA中捆束的其它纤维隔离。由于增加DEMA芯的电阻会影响电气RC时间常数，但不影响电气效率，故需要将芯电阻增加到满足应用的电气时间常数的可能的最大值。内(芯)电极的电阻可通过选择DEMA的尺度(OD)以及通过选择具有期望的体积电阻率的电极材料来控制。
合适的电极材料可被表征为柔顺的、流体的或这两者。当由显著的表面张力准许时，流体材料将通常呈其容器的形状或作为薄膜粘合到表面。US7834527中也提供合适的电极材料的各种示例，其关于柔顺电极的相关部分以引用的方式并入本文中。用于DE微纤维的内部(芯)的合适的电极材料通常是流体的。合适的电极材料本质上可能是水性的或非水性的。水性流体电极材料包括具有溶解离子和/或电解质的水，以产生在约5ohm-cm到5000ohm-cm的范围内的体积电阻率。还设想合适的非水性导电流体，例如导电油脂，其通常由在粘性流体基质中的导电粒子(例如金属薄片、碳黑、石墨烯、碳纳米管等)的浓缩分散液构成。市售的导电油脂的示例是马萨诸塞州(MA)费尔黑文(Fairhaven)Nye润滑油公司(NyeLubricants)的NyogelTM 756G，其被报导为具有30ohm-cm(0.3ohm-m)的体积电阻率。合适的导电流体还可包括导电墨水。
出于说明性目的，我们可描述由市售的道康宁(DOW Corning)SylgardTM硅酮弹性体化合物制成的DEMA。对于用此类材料制造的DEMA，我们已经以实验方式观测到，OD＝～133μm且α为～2的纤维具有864kV的最大操作电压，在所述最大操作电压下，DEMA可产生4.9％的应变。图5d展示从此类DEMA记录的数据。模拟预计到，将外径减小到50μm会将操作电压减小到～300V。有效应变、有效应力、每单位体积或每单位质量的机械能输出不会随着此缩放而改变。
用于制造适合于制造本发明中使用的中空纤维的弹性体材料的市售的弹性体材料和前体的示例包括购自陶氏化学公司(Dow Chemical)的SylgardTM系列或硅橡胶LC系列、来自盖勒斯特(Gelest)的DMS-V31系列、例如来自可乐丽(Kuraray)的Septon2063的热塑性弹性体、来自瓦克化学公司(Wacker Chemie)的液化橡胶化合物的Elastosil系列、来自迈图(Momentive)的Silopren UV Electro系列、3M公司(3M)用于其4905VHB胶带系列的丙烯酸聚合物、来自BJB企业公司(BJB Enterprises)的TC-5000系列以及来自诺希尔(Nusil)的CF19系列。
为了实现用于给定长度和位移要求的优选实施方式，DEMA的设计涉及三个考虑因素：材料的选择、OD的选择和α值的选择。在一些优选实施方式中，所述中空纤维材料包括弹性体材料，所述弹性体材料被表征为具有将张力提供到致动器的合适的杨氏模量、高介电常数和高介电击穿。合适的中空纤维的杨氏模量的合适值可在约100kPa至约5,000kPa的范围内，优选地在约300kPa至约2400kPa之间，在约400kPa和约2000kPa之间，更优选地在约500kPa和1500kPa之间，且甚至更优选地在约600kPa和1200kPa之间。这在图6中进一步示出。优选的OD是还能使得纤维具有小于所需机械响应时间的电气RC时间常数的最小OD。α值然后可限定机电性能中的“最有效点”，其中可通过调节有效功密度或有效比能量、有效应力、有效应力或机电效率而使性能最大化。
对于意欲以类似于人类或动物的尺度操作的机器人系统，100毫秒(ms)至200ms的时间常数是适当的。在一些应用中，可使用低至50ms的时间常数，因此50ms至200ms的范围也是有用的。还设想专用微尺度致动器需要甚至小于50ms的时间常数，可能低至40ms或30ms或20ms或10ms，以提供快速颤动响应或用于微机器人中的操作。在其它实施方式中，时间常数可在75ms至150ms的范围内。尺度上大得多的其它结构应用可能需要慢得多的时间常数(例如大于约1000ms或甚至高达约10,000ms)，例如门的关闭或壁和分区的移动，而例如光学偏转器或扬声器的其它专用运动应用可能需要小于(即快于)10ms的时间常数，可能小至1ms或甚至0.1ms。
如本文中所使用，关于导电材料的术语“流体”是指能够流动的材料，例如用以流入DE微纤维的中空纤维主体的内芯中。在一些实施方式中，设想流体导电材料充当基本上完全填充中空纤维主体的内芯的液体。在这些实施方式中，所述内芯中的流体导体在操作条件下基本上不可压缩。在其它实施方式中，设想流体导体在中空纤维主体的内芯的内壁上形成液体膜，其具有另一种类型的物质，例如可压缩固体，比如泡沫或粉末，或可压缩流体，比如例如空气、氮气或氩气的气体，以填充内芯的剩余部分。在此类实施方式中，我们可将内芯表征为柔顺的，例如在操作条件下可压缩和/或至少部分地可变形。内流体电极的关键考虑因素是，其体积在微纤维伸长期间保持几乎恒定，且在这样做时，其约束微纤维变形，使得随着其壁由麦克斯韦应力压缩，所述纤维必须在长度上增长且在直径上收缩以维持此恒定体积。
实施例
由DE纤维制造DEMA，所述DE纤维是使用与US7834527B2中所描述的工艺类似的工艺而使用来自道康宁(DOW Corning)的市售的硅酮树脂合成的。出于本公开的目的，对两组纤维样品进行横截面化并通过经校准的检查显微镜进行成像，并且使用如图7中所展示的图像分析来测量并在表1中概述其外径和内径。图7a和图7b分别展示来自两种不同DE纤维(样品A和样品B)的横截面的一系列微图像。图7c和图7d分别对于DE纤维样品A和样品B提供针对用于测量DE纤维的外径OD和内径ID的横截面微图像中的每一者而获得的图像分析结果。表1概述样品A和样品B的平均外径和内径和所述α比率，以及处于1.57下样品A的外径OD对样品B的外径OD的比率。
表1
样品A 样品B 比率
外径[μm] 133.79 209.57 1.57
内径[μm] 64.96 82.54 1.27
α 2.060 2.539 NA
应力[kPa] 7.41 10.92 1.47
通过等张测试以机电方式测试在图7的横截面中用图片显示的DEMA，所述等张测试中将固定质量块悬挂在DEMA片段上，并且然后将其用处于不同振幅的1Hz正弦电压进行电气激活。测量所得的位移并将其转换成应变。将所施加的力除以横截面面积并转换成应力。图8中标绘了所得的应变相较于施加电压，并且在表2中将拟合到数据的系数制成表以促进比较。样品B的外径比样品A的外径大1.57倍，这预测到样品A应以低1.57倍的电压产生相同的应变。然而，出人意料的是，观测到的电活性系数(表2中的X)展示样品A产生与样品B产生的应变相同的应变，但在低1.96倍的激活电压下。此24％额外电活动由样品A具有2.06的α值相较于样品B具有2.53的α值的事实很好地解释。
表2：二次拟合(X*V^2+Y*V+Z)
样品A 样品B 平方根(比率)
X 7.07E-06 1.85E-06 1.96
Y -1.72E-04 5.88E-05 NA
Z 7.87E-02 1.08E-03 NA
当本文中使用的范围用于例如分子量的物理性质或例如化学式的化学性质时，意欲包括其中的特定实施方式的范围的所有组合和子组合。
本文件中所引用或描述的每个专利、专利申请和公开的全文特此以引用的方式并入本文中。
所属领域的技术人员应了解，可对本发明的优选实施方式进行许多改变和修改，并且可在不脱离本发明的精神的情况下进行此类改变和修改。因此，希望所附权利要求书涵盖属于本发明的真实精神和范围内的所有此类等效变化。
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Claims (32)

1.一种多个介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述机电连接束包括：
a.每个所述介电弹性体微纤维的横截面环形面和支撑元件(端盖)之间的直接机械连接；以及
b.所有微纤维的芯和导电接触件之间的直接电气连接。
2.根据权利要求1所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，每个所述直接机械连接和直接电气连接都是使用导电粘合剂或导电接合材料来实现的。
3.根据权利要求2所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述导电粘合剂或导电接合材料将所述导电元件物理地接合到所述微纤维壁材料，同时与所述中空介电弹性体微纤维的所述芯内的流体电极进行电气通信。
4.根据权利要求3所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述介电弹性体微纤维的机电连接束是用环氧树脂、氰基丙烯酸酯或硅酮进行接合。
5.根据权利要求3所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述介电弹性体微纤维的机电连接束包括硅酮。
6.根据权利要求3所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述电气连接是通过在所述微纤维的所述芯和导电接触件之间形成流体空腔来实现的，并且其中所述机械连接是在所述束的密封件的所述边缘处实现的。
7.根据权利要求1所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，导电支撑件具有插入到所述微纤维束的所述多个微纤维中的每个的所述导电芯中的引脚或接触件阵列。
8.根据权利要求7所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述机械连接由粘合剂或接合剂加强。
9.根据权利要求1所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述电气连接是通过使用类似于集成电路的接合垫环和接合线来实现的。
10.根据权利要求9所述的介电弹性体微纤维的机电连接束，其特征在于，所述机械连接由设置在所述束密封件的所述面(圆柱形环边缘)或边缘上的粘合剂或接合剂实现。
11.一种DE微纤维，其特征在于，所述DE微纤维包括：中空纤维主体，所述中空纤维主体被表征为具有外径和内径；内流体或柔顺电极，所述内流体或柔顺电极设置在所述中空纤维主体的所述内部；以及外流体或柔顺电极，所述外流体或柔顺电极设置在所述中空纤维主体的外部，其中所述中空纤维主体的所述外径对所述内径的比率α被选择为使作为致动器的所述DE微纤维的所述机电性能最大化。
12.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使机械能输出最大化。
13.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使有效功密度最大化。
14.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使有效比能量最大化。
15.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使机械功率密度最大化。
16.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使机械比功率最大化。
17.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使有效应变最大化。
18.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述比率α被选择为使有效应力最大化。
19.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述电气时间常数低于约1000ms，优选地低于约500ms，并且优选地低于约200ms。
20.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，OD被减小为使得在所述目标操作电压下在束内的1000个纤维中的故障率小于1。
21.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述内电极的所述电阻率被设计为使得所述纤维具有低于约200ms的电气时间常数。
22.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述内电极的所述尺度(OD)、比率α和电阻率被选择为使得所述微纤维具有与所述应用的机械时间常数匹配的电气时间常数。
23.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括硅酮弹性体材料。
24.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括热固性弹性体材料。
25.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括热塑性弹性体材料。
26.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括聚氨酯弹性体材料。
27.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括聚酯弹性体材料。
28.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括丙烯酸弹性体材料。
29.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述中空纤维主体包括被表征为具有在100kPa和5000kPa之间的所述范围内的杨氏模量的弹性体材料。
30.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，所述DE微纤维被表征为具有在400kPa和800kPa之间的被动弹性常数。
31.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，当使用所述内电极和外电极之间的激活电压进行电气激活时，由所述DE微纤维产生的上述应力减小到零。
32.根据权利要求11所述的DE微纤维，其特征在于，当在所述内电极和外电极之间不存在激活电压时，所述DE微纤维被预加应力以产生期望的基线应力。
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