Dielectric Elastomer Actuator

又稱: DEA
類別: Actuation & drivetrain › Motors
標籤: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage

一種軟性致動器，由夾在柔順電極之間的彈性體薄膜構成；高電壓把薄膜擠得更薄、攤得更寬，產生大應變。

定義

介電彈性體致動器（dielectric elastomer actuator，DEA）是一種以柔軟、可拉伸的介電質構成的電容器。一層彈性體薄膜（通常是矽膠或壓克力彈性體）的兩面塗上柔順電極，例如碳膏、填充碳的矽膠或奈米碳管層。施加電壓時，兩個電極上的異性電荷互相吸引，而每個電極上的同性電荷互相排斥，因而使薄膜在厚度方向受到擠壓、在面積上擴張。由於彈性體幾乎不可壓縮，厚度的減少與面積的增加彼此耦合。DEA 屬於範圍更廣的電活性高分子家族；Pelrine 與同事約在 2000 年於 SRI International 的研究顯示，預拉伸的薄膜能達到超過 100% 的應變，使 DEA 成為人工肌肉的有力候選。

有效的致動壓力常稱為馬克士威應力（Maxwell stress），即 p = ε₀ εᵣ E²，其中 E 是跨越薄膜的電場（電壓除以厚度），εᵣ 是彈性體的相對介電常數。正因為對電場呈平方關係，DEA 需要每微米數十伏特的電場；對於數十微米厚的薄膜，這表示需要千伏級的電壓，或改用由較薄薄膜構成的多層堆疊來降低電壓。實際的設計包括在厚度方向收縮的堆疊、可伸長或彎曲的捲管、膜片，以及裝在可撓框架上、可彎曲或摺疊的預拉伸薄膜。預拉伸能提升效能，並有助於抑制機電不穩定性：薄膜變薄、電場升高，薄膜又進一步變薄，直到失效。

工作包絡由失效模式決定。介電崩潰，也就是貫穿薄膜的電氣短路，限制了電場的上限，因而也限制了力；缺陷、灰塵與電極邊緣會讓崩潰在低於材料標稱強度時就發生，因此壽命高度取決於致動器運作時離這個極限有多近。壓克力彈性體能產生大應變，但具黏彈性且反應慢；矽膠反應較快、損耗較低，這對拍翼等高頻應用很重要。在電氣上，DEA 是電容性負載：穩態時汲取的電流很小，卻需要精巧的高壓驅動器，而這個驅動器往往是小型 DEA 驅動機器人中最重、也最難做的部分。與磁致動或以馬達為基礎的致動不同，DEA 沒有磁鐵、線圈或齒輪，它的柔順性是致動器本身的一部分，而不是透過彈簧或軟性結構另外加上去的。

為何重要

DEA 以柔軟、安靜、沒有齒輪或磁鐵的元件，提供類似肌肉的應變與快速反應。因此在昆蟲尺度的飛行機器人、軟性夾爪，以及其他馬達太重或太剛硬的機器上，它是少數可用的致動器選項之一，前提是從一開始就把高壓電子電路與崩潰極限納入設計。

主要應用

拍翼式與昆蟲尺度的空中機器人
軟性夾爪，包括結合靜電吸附的設計
軟性爬行與游動機器人
力回饋與觸覺顯示器
可調焦透鏡與其他自適應光學元件
以介電彈性體發電機進行能量擷取

實際應用

一個製作昆蟲尺度拍翼機器人的團隊，把多層矽膠 DEA 捲成圓柱，並透過撓性傳動機構連接到機翼。他們在 DC 偏壓之上疊加頻率接近機翼共振頻率的正弦高電壓來驅動它，讓致動器繞著一個中點雙向振盪；不論極性為何，靜電壓力都只會壓縮薄膜。峰值電壓的選擇，要比在同一批測試樣品上量得的崩潰電壓留有餘裕，因為再往上推雖能得到更大的升力，卻會大幅縮短致動器壽命。飛行控制器把電壓振幅當作推力命令，必須遵守這個上限，也必須顧及致動器在發熱與老化過程中特性的緩慢變化。

常見誤解

電壓越高，可用的力一定越大 — 力隨電場的平方增加，但介電崩潰的風險也隨之增加，而在接近極限處運作會大幅縮短壽命
電壓反向，運動也會反向 — 靜電壓力取決於電場的平方，因此不論極性為何，薄膜都會受到壓縮；雙向運動需要偏壓、預負載或拮抗配對
DEA 汲取的電流很小，所以容易供電 — 它們需要千伏級的驅動電子電路，而轉換器往往在小型機器人的質量與複雜度中佔大宗
DEA 是一種壓電致動器 — 壓電陶瓷剛硬，應變遠低於百分之一，而 DEA 柔軟，依靠作用在柔順薄膜上的靜電壓力

誰需要了解

軟性機器人研究人員
微型機器人與昆蟲尺度空中機器人工程師
高壓電力電子設計人員
從事電活性高分子研究的材料工程師

Open Source Robotics