DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48243-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38762507
تاريخ النشر: 2024-05-18
المؤلف: Wenwen Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد العازلة والمحركات
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التقدم في مشغلات الإيلاستومر العازل (DEAs) المصممة للروبوتات اللينة، مع التركيز على تطوير إيلاستومر عازل جديد من بولي أكريلات فلورinated قطبي (DE) يظهر ثابت عازل عالي (10.23 عند 1 كيلوهرتز) وموهبة يونغ مرغوبة (~0.09 ميغاباسكال). إن دمج المجموعات القطبية الفلورية والنانو دومينات التي تتشكل بواسطة سلاسل جانبية ألكيلية طويلة يعزز كل من الخصائص الكهروميكانيكية والمرونة الميكانيكية لـ DE، مما يسمح له بتحقيق إجهاد منطقة قصوى يبلغ 253% عند مجال كهربائي منخفض يبلغ 46 ميغافولت/متر. هذه الأداء يتفوق بشكل كبير على DEs الحالية، التي تتطلب عادة مجالات كهربائية أكبر من 100 ميغافولت/متر لتحقيق إجهادات تشغيل مماثلة.
علاوة على ذلك، يظهر DE المطور حديثًا طاقة محددة استثنائية تبلغ 225 جول/كجم عند 40 ميغافولت/متر، وهو ما يزيد بحوالي ستة أضعاف عن طاقة العضلات الطبيعية ويتجاوز كثافة الطاقة لـ DEs الحالية المتطورة. تمكن قدرات المشغل الروبوتات اللينة من تحقيق سرعة تشغيل ملحوظة تبلغ 20.6 طول جسم في الثانية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في الروبوتات اللينة المدفوعة بـ DEA. يحافظ DE على تشغيل مستقر فوق 150 جول/كجم لأكثر من 10,000 دورة، مما يشير إلى إمكانيته للتطبيقات العملية في الروبوتات اللينة المتنقلة عالية الأداء.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون عدة مواد لإجراءاتهم التجريبية. كانت المونومرات الرئيسية تشمل 2,2,3,4,4,4-هيكسافلوروبيوتيل أكريلات (HFBA)، المستمدة من شركة شانغهاي شانغفو، بالإضافة إلى 2-إيثيل هكسيل أكريلات (EA) وأكريلات دوديسيل (DA) التي تم الحصول عليها من شركة إنرجي كيميكل. كانت المحفزات الضوئية الجذرية المستخدمة هي 2-هيدروكسي-2-ميثيل بروبيوفينون (HMPP)، أيضًا من إنرجي كيميكل. تم استخدام جميع المواد الكيميائية كما هي دون أي خطوات تنقية.
بالنسبة للإعداد التجريبي، كانت شحم الكربون (NyoGel 756 G من Nye Lubricants) تعمل كأقطاب مرنة، بينما تم استخدام VHB 4910 من 3M كإيلاستومر عازل (DE) لأغراض التباين. يعتبر اختيار هذه المواد أمرًا حيويًا لضمان سلامة وموثوقية النتائج التجريبية.
نتائج
تقدم فقرة “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج التابعة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التجارب اتجاهًا ثابتًا عبر تجارب متعددة، مما يعزز موثوقية النتائج.
علاوة على ذلك، تشمل النتائج تمثيلات رسومية، مثل الرسوم البيانية والمخططات، التي توضح العلاقة بين المتغيرات بشكل واضح. تسلط هذه المساعدات البصرية الضوء على حجم التأثيرات الملحوظة، مع إيلاء اهتمام خاص للقيم الشاذة وتأثيراتها المحتملة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي في هذا المجال، مما يقترح طرقًا للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير إيلاستومر عازل عالي الأداء (DE) من خلال تصميم كوبوليمر عشوائي يتكون من 2,2,3,4,4,4-هيكسافلوروبيوتيل أكريلات (HFBA)، 2-إيثيل هكسيل أكريلات (EA)، وأكريلات دوديسيل (DA). تم تخليق الكوبوليمر عبر بلمرة ضوئية أحادية الخطوة، مستفيدًا من مجموعات CF₃ القطبية في HFBA لتعزيز الثابت العازل، بينما تم دمج EA لتقليل موهبة يونغ. ساهم DA في تشكيل نانو دومينات عملت كروابط فيزيائية ديناميكية، مما حسن المرونة ومكّن من سلوك تصلب الإجهاد، وهو أمر حاسم للتشغيل الفعال. أظهر الكوبوليمر الناتج، المسمى PFED10، موهبة يونغ تبلغ 0.09 ميغاباسكال وثابت عازل يبلغ 10.23 عند 1 كيلوهرتز، متفوقًا بشكل كبير على البدائل التجارية.
وصلت الحساسية الكهروميكانيكية لـ PFED10 إلى 114، مما يدل على أداء تشغيل استثنائي، مع تحقيق إجهاد منطقة قصوى يبلغ 253% عند مجالات كهربائية منخفضة. تم التحقق من هذا الأداء من خلال اختبارات الشد الدورية، مما أظهر انخفاضًا في الهسترس واستعادة سريعة. بالإضافة إلى ذلك، أظهر PFED10 كثافة طاقة وكثافة طاقة مثيرتين للإعجاب، محققًا طاقة محددة تبلغ 225 جول كجم⁻¹، وهي الأعلى المبلغ عنها لـ DEs. سهلت الخصائص الفريدة للكوبوليمر إنشاء روبوت لينة فائق السرعة قادر على تحقيق سرعات تبلغ 20.6 طول جسم في الثانية، مما يظهر إمكانيته للتطبيقات المتقدمة في الروبوتات اللينة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن كوبوليمر PFED10 يمثل تقدمًا كبيرًا في تطوير DEs عالية الأداء المناسبة للتطبيقات ذات الجهد المنخفض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48243-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38762507
Publication Date: 2024-05-18
Author(s): Wenwen Feng et al.
Primary Topic: Dielectric materials and actuators
Overview
This section discusses advancements in dielectric elastomer actuators (DEAs) designed for soft robotics, focusing on the development of a novel polar fluorinated polyacrylate dielectric elastomer (DE) that exhibits a high dielectric constant (10.23 at 1 kHz) and a desirable Young’s modulus (~0.09 MPa). The incorporation of polar fluorinated groups and nanodomains formed by long alkyl side chains enhances both the electromechanical properties and mechanical flexibility of the DE, allowing it to achieve a maximum area strain of 253% at a low driving electric field of 46 MV/m. This performance is significantly superior to existing DEs, which typically require electric fields greater than 100 MV/m to achieve similar actuation strains.
Moreover, the newly developed DE demonstrates an exceptional specific energy of 225 J/kg at 40 MV/m, which is approximately six times greater than that of natural muscle and surpasses the energy density of current state-of-the-art DEs. The actuator’s capabilities enable soft robots to achieve a remarkable running speed of 20.6 body lengths per second, marking a significant advancement in DEA-driven soft robotics. The DE maintains stable actuation above 150 J/kg for over 10,000 cycles, indicating its potential for practical applications in high-performance mobile soft robots.
Methods
In this study, the authors utilized several materials for their experimental procedures. The primary monomers included 2,2,3,4,4,4-Hexafluorobutyl acrylate (HFBA), sourced from Shanghai Shangfu Company, along with 2-Ethylhexyl acrylate (EA) and dodecyl acrylate (DA) obtained from Energy Chemical. The radical photo-initiator employed was 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone (HMPP), also from Energy Chemical. All reagents were used as received without any purification steps.
For the experimental setup, carbon grease (NyoGel 756 G from Nye Lubricants) served as compliant electrodes, while VHB 4910 from 3M was utilized as the dielectric elastomer (DE) for contrast purposes. This selection of materials is critical for ensuring the integrity and reliability of the experimental results.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the independent variable and the dependent outcomes, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the experiments demonstrated a consistent trend across multiple trials, reinforcing the reliability of the findings.
Furthermore, the results include graphical representations, such as plots and charts, which illustrate the relationship between the variables in a clear manner. These visual aids highlight the magnitude of the effects observed, with specific attention given to outliers and their potential implications. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge in the field, suggesting avenues for future research and practical applications.
Discussion
In this study, a high-performance dielectric elastomer (DE) was developed through the design of a random copolymer comprising 2,2,3,4,4,4-hexafluorobutyl acrylate (HFBA), 2-ethylhexyl acrylate (EA), and dodecyl acrylate (DA). The copolymer was synthesized via one-step UV photopolymerization, leveraging the polar CF₃ groups in HFBA to enhance the dielectric constant, while EA was incorporated to reduce the Young’s modulus. DA contributed to the formation of nanodomains that acted as dynamic physical crosslinkers, improving elasticity and enabling strain-hardening behavior, which is crucial for effective actuation. The resulting copolymer, designated PFED10, exhibited a Young’s modulus of 0.09 MPa and a dielectric constant of 10.23 at 1 kHz, significantly outperforming commercial alternatives.
The electromechanical sensitivity of PFED10 reached 114, indicating exceptional actuation performance, with a maximum area strain of 253% achieved at low electric fields. This performance was further validated through cyclic tensile tests, demonstrating low hysteresis and rapid recovery. Additionally, PFED10 exhibited impressive energy density and power density, achieving a specific energy of 225 J kg⁻¹, which is the highest reported for DEs. The copolymer’s unique properties facilitated the creation of an ultrafast soft robot capable of achieving speeds of 20.6 body lengths per second, showcasing its potential for advanced applications in soft robotics. Overall, the findings suggest that the PFED10 copolymer represents a significant advancement in the development of high-performance DEs suitable for low-voltage applications.