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Dielectric Elastomer Reconciling Electromechanical Responsiveness and Viscoelastic Dissipation for Crawling Robots

材料科学 介电弹性体 弹性体 电介质 粘弹性 执行机构 复合材料 软机器人 消散 人工肌肉 模数 弹性模量 弹性能 智能材料 工作(物理) 流离失所(心理学) 耗散因子 机械能 热塑性弹性体 偶极子 极限抗拉强度 介电常数 电活性聚合物 流变学 丙烯酸酯 硫化 压力(语言学)
作者
Haoqi Wang,Ruizhuo Guo,Yijun Li,Chuhong Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 5849-5858
标识
DOI:10.1021/acsami.5c18568
摘要

Dielectric elastomer actuators (DEAs) are well-suited for soft robotics due to their deformation. However, the low dielectric constant and high elastic modulus of conventional DEs constrain actuation strain. In this work, a polar monomer was incorporated into acrylic elastomer to enhance dielectric properties, while the addition of flexible long-chain cross-linkers forms a flexible network, facilitating dipole orientation and regulating the cross-linking degree to reduce molecular chain interactions. As a result, the acrylic elastomer has three times the dielectric constant (17.4 at 1 kHz) and half the elastic modulus (0.06 MPa) of conventional acrylates. The synthesized DE achieves 311% area strain at 50 MV/m, 6-fold that of VHB elastomers, at a significantly lower actuation electric field. Additionally, it demonstrated a specific energy of 31 J/kg and a specific power of 205 W/kg at a rate of 30 MV/m. The incorporation of a cross-linked network effectively mitigated the viscoelastic effects of acrylate elastomers, ensuring strain stability over at least 4,800 actuation cycles. Furthermore, when employed as an artificial muscle, the DE successfully lifted a 65 g weight while maintaining displacement stability for over 1200 actuation cycles. This work introduced a novel approach along with new design principles for the molecular engineering of fine DEA fine structures.
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