巴基凝膠執行器

謝霆震 王鴻業 李好

【摘 要】自2005年巴基凝膠執行器（BGA）的示范以來，為開發這種電活性變形納米復合材料的新應用付出了巨大努力。這種三層雙形態納米復合材料可以很容易地制造，在空氣中操作，并驅動幾個伏特。

【關鍵詞】巴基凝膠;執行器

一、引言

近些年來，人們開始關注能夠將電能直接轉化為機械工作的軟材料，因為它們允許廣泛應用，包括機器人、觸覺和光學顯示器、價值設備、微電系統等[1]，特別是機械聚合物執行器，它可以工作快速和軟驅動電壓，所以它們可以用作人工肌肉般的執行器的各種生物醫學。隨著工作環境的需求，人們希望其可以以極低的操作電壓在空氣中工作，“巴基凝膠”逐漸出現在人們的視野中。巴基凝膠使離子液體和碳納米管的明膠狀混合物。這種混合物已應用于執行器、可伸縮電子設備和能量轉換材料。巴基凝膠還應用于開發化學生物傳感器。

二、巴基凝膠

在過去二十年中，進行了大量研究，旨在開發能夠在空氣中以最小功耗運行的電活性聚合物（EAP）。根據定義，EAP 是一種聚合物系統，它對電刺激做出響應，其大小或形狀發生了顯著變化。然而，壽命短和響應時間慢是主要缺點。這些缺點是通過使用碳納米管解決的后經過改進試驗除了巴基凝膠。巴基凝膠是一種含有單壁碳納米管的明膠室離子液體，因其能以極低操作電壓在空氣中工作，使其在執行器等領域得到了廣泛的關注。Baughman等人[2] 是第一個報告由于電潛在應用而淹沒在水解質溶液中的碳納米管板材變形的人，由于該驅動是碳納米管充電和放電導致的雙層形成的結果，并且是非法拉達驅動的，因此響應時間問題得到了解決。但是，只有在電解質溶液存在的情況下，才能進行驅動。其中驅動因素歸因于電荷噴射引起的共價結合方向的單壁碳納米管尺寸變化，該方向源于量子官和雙層電靜電效應。但是，只有在電解質溶液存在的情況下，才能進行驅動后經過Aide課題組[3]改進，創造出了可在空氣中發揮機電性能的第一代“Bucky Gel”執行器，后學者根據這一模型改進。

2.降壓凝膠執行器

降壓凝膠執行器（BGA）使一種三層復合材料，由夾在兩層相同電極以及之間電解質層做成。電極層由聚合物質基質中的巴基凝膠組成，電解質層使離子液體和相同聚合物基質的混合物。降壓凝膠執行器驅動可以用兩種不同的理論來解釋：電荷注入和離子轉移。根據電荷噴射模型，驅動是電荷噴射引起的碳碳鍵長度的尺寸變化的結果，其來源于量子和雙層靜電效應。驅動的另一個原因是電離子在層之間轉移。

Takanori Fukushima等人[3]采用了雙形態配置應用于執行器，采用聚合物支持的內部離子液體電解質質層，夾雜著巴基凝膠電極層，其首次將降壓凝膠應用于軟執行器的制造中使該執行器可在低電壓下在空氣中快速、長壽命地運行。

Ichiroh Takeuchi等人[4]探索了“巴基凝膠”降壓凝膠電極和含有七種內部離子液體的凝膠電解質層組成的降壓凝膠執行器的機電和電化學特性。該執行器是由相同內部離子液體的電極和電解質層加熱而制造的，厚度僅有130-140μm。在不討論重做峰值的情況下，低頻段電壓與位移成正比;隨著應用電壓頻率的增加，電流與電壓開始顯示歐米奇曲線的傾向。陰極和節點的體積變化分別根據以及和陰離子的大小而變化。彎曲運動程度大小主要取決于離子液體所選離子物質大小。

Maurizio Biso等人[5]利用水輔助改性CVD方式生產了超生長碳納米管（SG-CNTs）與離子液體緊密相連，通過CNT之間建立化學聯系來克服滑動效應，改善從納米到宏觀尺度的運動轉移，改善了該執行器應用于菌株傳輸的關鍵問題。提出了一種新型改善執行器充電能力和應變與頻率響應方面的方法，使執行器性能有所提升。

Ken Mukai等人[6]探索了巴基凝膠執行器的點擊或形態修復。最終證實由于清晰的粘性反應，可能改變和修復凝膠執行器的形狀。由于通過觀察到高頻段輸入信號可誘發散熱高達30℃，所以他們使用這種電控溫度變化增強形狀固定。還研究了幾種固定的技術，證明巴基凝膠執行器可以使用復合輸入信號進行更改，該信號同時觸發機電變化和電流誘導加熱。本文還闡述了雙載體驅動模型，以解釋降壓凝膠執行器的機電固定。

三、總結

巴基凝膠執行器（BGA）的顯著功能使其成為極好的不同變形應用程序的候選者。巴基凝膠執行器可以驅動只有幾伏特，制造過程很簡單，它有一個非?？斓捻憫獣r間。它也可以在空中和不同頻率運行。此外，由于彎曲巴基凝膠降壓執行器可以誘導少量電流，它具有作為傳感器和執行器的相互使用能力，這兩種能力可以與保持功能聚合物材料的優勢相結合?？蓸嫿ㄎ⑿蛨绦衅鱾鞲衅飨到y和反饋控制系統。同時巴基凝膠降壓執行器具有改進的機械強度，有可能應用于具有驅動和傳感能力的宏觀到微型智能結構。

參考文獻：

[1]Bar-Cohen Y. Electroactive polymer（EAP）actuators as artificial muscles：reality，potential，and challenges[M]. SPIE press，2004.

[2]Baughman R H，Cui C，Zakhidov A A，et al. Carbon nanotube actuators[J]. 1999，284（5418）：1340-1344.

[3]Fukushima T，Asaka K，Kosaka A，et al. Fully plastic actuator through layer‐by‐layer casting with ionic‐liquid‐based bucky gel[J]. 2005，44（16）：2410-2413.

[4]Takeuchi I，Asaka K，Kiyohara K，et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids[J]. 2009，54（6）：1762-1768.

[5]Biso M，Ansaldo A，Futaba D N，et al. Cross-linking super-growth carbon nanotubes to boost the performance of bucky gel actuators[J]. 2011，49（7）：2253-2257.

[6]Kruusam?e K，Mukai K，Sugino T，et al. Electroactive shape-fixing of bucky-gel actuators[J]. 2014，20（3）：1108-1116.

項目基金：

大學生創新創業訓練計劃項目（202110214331）

作者簡介：

謝霆震（2000-），男，黑龍江省虎林市人，在讀本科生，專業為材料成型及控制工程