Dielectric Elastomer Actuator

又称: DEA
类别: Actuation & drivetrain › Motors
标签: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage

一种软体执行器，由夹在柔顺电极之间的薄弹性体薄膜构成；高电压把薄膜压得更薄、铺得更宽，从而产生大应变。

定义

介电弹性体执行器（dielectric elastomer actuator，DEA）是一种以柔软、可拉伸的电介质构成的电容器。一层弹性体薄膜（通常是硅胶或丙烯酸弹性体）两面涂覆柔顺电极，例如碳脂、填充碳的硅胶或碳纳米管层。施加电压时，两个电极上的异号电荷相互吸引，而每个电极上的同号电荷相互排斥，从而使薄膜在厚度方向被压缩、在面积上扩张。由于弹性体几乎不可压缩，厚度的减小与面积的增大是相互耦合的。DEA 属于更广泛的电活性聚合物家族；Pelrine 及其同事于 2000 年前后在 SRI International 开展的工作表明，预拉伸的薄膜可以达到超过 100% 的应变，这使 DEA 成为人工肌肉的有力候选。

有效驱动压力常被称为麦克斯韦应力（Maxwell stress），即 p = ε₀ εᵣ E²，其中 E 是薄膜两侧之间的电场（电压除以厚度），εᵣ 是弹性体的相对介电常数。正是由于对电场的二次依赖，DEA 需要每微米数十伏的电场；这意味着对于数十微米厚的薄膜需要千伏级电压，或者使用由更薄薄膜构成的多层叠堆来降低电压。实际的设计包括在厚度方向收缩的叠堆、可伸长或弯曲的卷管、膜片，以及装在柔性框架上、可弯曲或折叠的预拉伸薄膜。预拉伸可以提升性能，并有助于抑制机电不稳定性：在这种不稳定中，薄膜变薄，电场升高，薄膜进一步变薄，直至失效。

工作包络由失效模式决定。介电击穿，即贯穿薄膜的电气短路，限定了电场的上限，因而也限定了力；缺陷、灰尘和电极边缘会使击穿在低于材料标称强度时发生，因此寿命在很大程度上取决于执行器运行时离该极限有多近。丙烯酸弹性体能给出大应变，但具有黏弹性、响应慢；硅胶响应更快、损耗更低，这对扑翼等高频应用很重要。在电气上，DEA 是一个容性负载：它在稳态下取用的电流很小，但需要一个紧凑的高压驱动器，而这个驱动器往往是小型 DEA 驱动机器人中最重、最难做的部分。与磁驱动或基于电机的驱动不同，DEA 没有磁体、线圈或齿轮，其柔顺性是执行器本身的一部分，而不是通过弹簧或软结构额外加入的。

为何重要

DEA 以一种柔软、无声、没有齿轮或磁体的器件，提供类似肌肉的应变和快速响应。这使它成为昆虫尺度飞行机器人、软体夹爪以及其他电机过重或过于刚硬的机器中为数不多的执行器选择之一，前提是从一开始就针对高压电子器件和击穿极限进行设计。

主要应用

扑翼及昆虫尺度空中机器人
软体夹爪，包括与静电吸附结合的设计
软体爬行与游动机器人
力触觉与触觉显示器
可调焦透镜及其他自适应光学器件
利用介电弹性体发电机进行能量采集

实际应用

一个制作昆虫尺度扑翼机器人的团队，把多层硅胶 DEA 卷成圆柱，并通过柔性铰链传动机构将其连接到机翼上。他们在 DC 偏置之上叠加一个频率接近机翼共振频率的正弦高电压来驱动它，使执行器围绕一个中点双向振荡；无论极性如何，静电压力都只会压缩薄膜。峰值电压的选取，要相对在同一批次测试样品上测得的击穿电压留出余量，因为再往上推虽然能得到更大的升力，却会急剧缩短执行器寿命。飞行控制器把电压幅值当作推力指令，必须遵守这一上限，也必须考虑执行器在发热和老化过程中特性的缓慢变化。

常见误解

电压越高，可用的力总是越大 — 力随电场的平方增长，但介电击穿的风险也随之增长，而在接近极限处运行会急剧缩短寿命
电压反向，运动也随之反向 — 静电压力取决于电场的平方，因此无论极性如何薄膜都受到压缩；双向运动需要偏置、预载或拮抗对
DEA 取用的电流很小，所以容易供电 — 它们需要千伏级的驱动电子器件，而变换器往往在小型机器人的质量和复杂度中占主导
DEA 是一种压电执行器 — 压电陶瓷刚硬，应变远低于百分之一，而 DEA 柔软，依靠作用在柔顺薄膜上的静电压力

谁需要了解

软体机器人研究人员
微型机器人和昆虫尺度空中机器人工程师
高压电力电子设计人员
从事电活性聚合物研究的材料工程师

Open Source Robotics