屈曲介电弹性体致动器

技术领域

本发明涉及包括介电弹性体材料膜的屈曲介电弹性体致动器，介电弹性体材料和形成所述介电弹性体材料的方法。

背景技术

在本说明书中先前公开的文献的列举或讨论不应当必要地被认为是承认该文献是现有技术的一部分或是公知常识。

触感极重要地参与我们在我们的日常生活中遇到的任何身体交互。然而，当与虚拟环境进行交互时，这种触感通常是不足的。幸运的是，用触觉技术，通过使用触觉装置诸如致动器来重建刺激皮肤上所需感觉的力，可以为人-计算机或人-机器交互重建触感。随着触觉技术融入我们的生活，诸如增强的手术训练、视频游戏和盲人用盲文显示的应用如今正在成为现实。

当前，材料诸如压电陶瓷、形状记忆合金和电活性聚合物已经被应用作为触觉反馈装置的致动器。然而，由压电陶瓷实现的致动应变通常小于1％，而形状记忆合金的致动由于其非线性热机械特性而难以控制。这样，电活性聚合物(EAP)由于其低功耗、轻重量、低成本和高致动应变而被保持作为触觉的优选材料。EAP是一类材料，当施加电场时，其可以展现出尺寸和形状的变化。

在这种类别的材料中，介电弹性体(DE)由于其快速的致动响应、安静的操作以及在室温下的长期性能，是触觉装置的优选选择之一。此外，介电弹性体(DE)具有低弹性模量、高应变能力和优异的回弹性，允许它们用于多种应用。

介电弹性体是EAP的一个实例。常用的DE材料包括3M的丙烯酸基粘合膜(称为VHB系列)。这些VHB聚合物具有优异的特性，包括实现超过600％的伸长率和最高达380％的面积致动应变的能力。然而，这些材料由于它们的高粘弹性性质，展现出缓慢的响应和恢复时间，通常为数百秒。此外，作为耗散过程，粘弹性迟滞已示出对性能发挥不利影响并导致定位不准确。这样，经常使用具有低粘弹性的材料诸如硅橡胶替代VHB聚合物。然而，这些材料经常展现出低介电常数(≈2.8)，这不足以在介电弹性体致动器中实现高应变。替代地，可以预拉伸DE，以减少粘弹性的影响。一些研究已经示出，预拉伸提供了诸如较短的弛豫时间、减少的漂移效应和较高的机电应变的益处。然而，经常通过将DE膜安装在刚性框架上来实现预拉伸状态，这增加了致动器的重量并限制了这样的致动器集成到柔软且柔性的主体中。此外，由于应力弛豫和疲劳，预拉伸减少了装置的寿命。

用于触觉和可刷新盲文显示的常见致动器类型是屈曲模式致动器。当横跨DE施加电压时，这些致动器展示出平面外挠度。然而，为了引起这种致动模式，DE必须受刚性边界(诸如刚性环或框架)约束，以防止面积扩大。此外，已经报道，为了实现单向屈曲，在非活性DE上需要预弯曲，这可以通过气压或几何支撑来实现。然而，这样的部件/成形力的增加可能限制屈曲致动器集成到柔软且柔性的触觉装置中。

鉴于以上，仍然需要开发新的材料或致动器以解决一个或多个上述问题。更重要的是，这样的材料或致动器需要具有优异的介电和机械特性，并且能够容许重复使用。此外，它们必须是高度稳定的，但又是通用的，使得可以容易地将它们集成到可穿戴技术中以用于不同的应用。

发明内容

将通过参考以下编号的条款来描述本发明的方面和实施方式。

1.一种屈曲致动器，包括：

第一电极；

第二电极；以及

夹在所述第一和第二电极之间的具有第一表面和第二表面的介电弹性体材料膜，所述材料由以下的无规嵌段共聚形成：

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料；以及

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料

其中：

所述第一电极被布置为覆盖所述介电弹性体材料膜的第一表面上的第一电极面积，以及所述第二电极被布置为覆盖所述介电弹性体材料膜的第二表面上的第二电极面积，使得存在所述第一和第二电极面积之间的重叠的区域，所述区域具有的面积小于所述介电弹性体材料膜的第一或第二表面的面积。

2.根据条款1所述的致动器，其中，所述第一和第二电极面积分别各自占所述介电弹性体材料膜的第一和第二表面上的5％至50％、诸如10至40％、诸如15至30％的面积。

3.根据条款1或条款2所述的致动器，其中：

(a)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基；和/或

(b)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基。

4.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料选自以下中的一种或多种：具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料、聚(二甲基硅氧烷)二甲基丙烯酸酯以及具有两个丙烯酸酯端基的热塑性聚氨酯。

5.根据条款4所述的致动器，其中，所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料选自CN310、CN8881、CN8884、CN8888、CN9004、CN9014、CN9028、CN9031、CN9002、CN966J75、CN9018、CN9021、CN3108、CN3211和CN8004中的一种或多种，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是CN9021。

6.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有的数均分子量大于20,000道尔顿，诸如20,001至50,000道尔顿。

7.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料选自以下中的一种或多种：聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯和聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯。

8.根据条款7所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料是聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)。

9.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为200至1,000道尔顿。

10.根据条款9所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为250至750道尔顿、诸如400至600道尔顿、诸如575道尔顿。

11.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料在所述介电弹性体材料中的存在量为5至15wt％，诸如10至15wt％。

12.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中：

(aa)所述介电弹性体材料具有的介电常数(ε

(ab)所述介电弹性体材料具有的弹性模量为0.1至4MPa，诸如0.3至4MPa；和/或

(ac)所述屈曲致动器在向所述第一和第二电极供应电压时具有的位移小于或等于1,250μm、诸如100至1,250μm、诸如500至1,250μm、诸如250至750μm、诸如1,000至1,250μm；和/或

(ad)所述介电弹性体材料具有的介电击穿小于或等于30V/μm、诸如10V/μm至25V/μm、诸如8V/μm至25V/μm、诸如10V/μm至20V/μm；和/或

(ae)所述介电弹性体材料具有的断裂伸长率大于50％、诸如50至960％、诸如50至500％、诸如150至450％、诸如423％。

13.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述致动器进一步包括柔性基底，其中所述第二电极放置在所述柔性基底上，以及所述介电弹性体材料膜形成在柔性基底和所述第二电极的至少一部分的顶部上。

14.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述致动器不包括刚性约束构件，任选地其中当施加电压时，所述致动器能够在不存在刚性约束构件情况下产生平面外致动。

15.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述第一和第二电极独立地选自碳脂(carbon grease)、一条或多条金属纳米线、水凝胶、离子凝胶、碳纳米管和液态金属，任选地其中第一和第二电极由银纳米线形成。

16.根据前述条款中任一项所述的致动器，其中，所述致动器是透明的。

17.一种通过以下的无规嵌段共聚形成的介电弹性体材料：

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料；以及

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。

18.根据条款17所述的介电弹性体材料，其中：

(ai)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基；和/或

(bii)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基。

19.根据条款17或条款18所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料选自以下中的一种或多种：具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料、聚(二甲基硅氧烷)二甲基丙烯酸酯以及具有两个丙烯酸酯端基的热塑性聚氨酯。

20.根据条款19所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料选自CN310、CN8881、CN8884、CN8888、CN9004、CN9014、CN9028、CN9031、CN9002、CN966J75、CN9018、CN9021、CN3108、CN3211和CN8004中的一种或多种，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是CN9021。

21.根据条款17至20中任一项所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有的数均分子量大于20,000道尔顿，诸如20,001至50,000道尔顿。

22.根据条款17至21中任一项所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料选自以下中的一种或多种：聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯和聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯。

23.根据条款22所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料是聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)。

24.根据条款17至23中任一项所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为200至1,000道尔顿。

25.根据条款24所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为250至750道尔顿、诸如400至600道尔顿、诸如575道尔顿。

26.根据条款17至25中任一项所述的介电弹性体材料，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料在所述介电弹性体材料中的存在量为5至15wt％，诸如10至15wt％。

27.根据条款17至26中任一项所述的介电弹性体材料，其中：

(Aa)所述介电弹性体材料具有的介电常数(ε

(Ab)所述介电弹性体材料具有的弹性模量为0.1至4MPa，诸如0.3至4MPa；和/或

(Ac)所述介电弹性体材料以膜的形式提供；和/或

(Ad)所述介电弹性体材料具有的介电击穿小于或等于30V/μm、诸如10V/μm至25V/μm、诸如8V/μm至25V/μm、诸如10V/μm至20V/μm；和/或

(Ae)所述介电弹性体材料具有的断裂伸长率大于50％、诸如50至960％、诸如50至500％、诸如150至450％、诸如423％。

28.一种形成如条款17至27中任一项所述的介电弹性体材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)在自由基引发剂存在下以及任选地在溶剂存在下，提供包括具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料与具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的混合物；以及

(ii)使所述混合物在升高的温度下反应一段时间，以提供所述介电弹性体材料。

29.根据条款28所述的方法，其中：

(ia)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基；和/或

(ib)所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有两个丙烯酸酯端基。

30.根据条款28或条款29所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料选自以下中的一种或多种：具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料、聚(二甲基硅氧烷)二甲基丙烯酸酯以及具有两个丙烯酸酯端基的热塑性聚氨酯。

31.根据条款30所述的方法，其中，所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料选自CN310、CN8881、CN8884、CN8888、CN9004、CN9014、CN9028、CN9031、CN9002、CN966J75、CN9018、CN9021、CN3108、CN3211和CN8004中的一种或多种，任选地其中所述具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料是CN9021。

32.根据条款28至31中任一项所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有的数均分子量大于20,000道尔顿，诸如20,001至50,000道尔顿。

33.根据条款28至32中任一项所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料选自以下中的一种或多种：聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯和聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯。

34.根据条款33所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯端基的极性聚合物材料是聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)。

35.根据条款28至34中任一项所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为200至1,000道尔顿。

36.根据条款35所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料具有的数均分子量为250至750道尔顿、诸如400至600道尔顿、诸如575道尔顿。

37.根据条款28至36中任一项所述的方法，其中，所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料在所述介电弹性体材料中的存在量为5至15wt％，诸如10至15wt％。

38.根据条款28至37中任一项所述的方法，其中，在条款28的步骤(ii)完成后，所述介电弹性体材料以膜的形式提供。

39.根据条款28至38中任一项所述的方法，其中，条款28的步骤(i)的所述混合物进一步包括溶剂，其中所述溶剂和所述具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料具有的重量与重量比率为10:1至1:1，诸如3:1至1:1，任选地其中所述溶剂是丙酮和/或异丙醇。

40.根据条款28至39中任一项所述的方法，其中：

(A)条款28的步骤(ii)中的所述升高的温度为50至100℃，诸如70至90℃；

(B)所述自由基引发剂的存在量为所述混合物的至少1wt％(例如1wt％至10wt％，诸如1wt％至；

(C)条款28的步骤(ii)中的所述反应的时间段为10分钟至24小时、诸如15分钟至12小时、诸如20分钟至1小时、诸如30分钟。

41.一种屈曲致动器的阵列，包括多个如条款1至16中任一项所述的屈曲致动器。

42.根据条款41所述的屈曲致动器的阵列，其中，所述屈曲致动器的阵列以十字结(cross-junction)配置布置。

附图说明

图1描绘了：(a和b)用于合成本发明的共聚物膜的聚氨酯丙烯酸酯(PUA，CN9021)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)分别的分子结构。

图2描绘了以下的FTIR谱：(a)初始批次；以及(b)后续批次的本发明的原始PUA(CN9021)和PUA-PEGDA共聚物膜。

图3描绘了以下的介电常数：(a)初始批次；以及(b)后续批次的PUA和PUA-PEGDA共聚物膜(5、10和15wt％)，在1kHz下测量的。对于每种浓度的PEGDA，测量了三个样品。

图4描绘了以下的介电常数：(a)初始批次；以及(b)后续批次的PUA、PUA-PEGDA共聚物膜(0、5、10和15wt％的PEGDA)和VHB 4905(仅对于后续批次)，在1kHz至1MHz的频率范围内测量的。

图5描绘了PUA和PUA-PEGDA共聚物膜(5、10和15wt％的PEGDA)的应力-应变曲线，对于：(a)初始批次；以及(b)后续批次，由标准拉伸测试以3.33mm s

图6描绘了在初始批次的以下上进行的加载和卸载循环测试：(a)PUA；(b)PUA-PEGDA-5；(c)PUA-PEGDA-10；以及(d)PUA-PEGDA-15，以3.33mm s

图7描绘了在后续批次的以下上进行的加载和卸载循环测试：(a)PUA；(b)PUA-PEGDA-5；(c)PUA-PEGDA-10；以及(d)PUA-PEGDA-15，以1mm s

图8描绘了：(a)根据本发明的介电致动器(DEA)(10)的示意图；(b)DEA在基底(30)上的层状布置；(c)(a)中的DEA(10)的横截面视图A-A；以及(d)本发明的DEA的照片。

图9描绘了(a)关闭状态；以及(b)接通状态的单个屈曲模式介电弹性体致动器(DEA)的致动，其中Δh表示当施加电压时实现的位移；(c)随着电场强度增加，PUA和PUA-PEGDA共聚物(5、10和15wt％的PEGDA)的代表性面积应变；以及(d)随着电场强度增加，基于PUA和PUA-PEGDA共聚物(5、10和15wt％的PEGDA)的测量的面积应变的估计的功密度。

图10描绘了随着电场增加，以下的单个样品的面积应变：(a)PUA；(b)PUA-PEGDA-5；(c)PUA-PEGDA-10；以及d)PUA-PEGDA-15。

图11描绘了随着电场增加，PUA和PUA-PEGDA共聚物(5、10和15wt％的PEGDA)的代表性挠度应变。

图12描绘了随-40℃至100℃的温度而变化的PUA和PUA-PEGDA共聚物(5、10和15wt％的PEGDA)的机电敏感性。

图13描绘了：(a)在接通和关闭状态下，用具有碳脂电极的初始批次的PUA-PEGDA-10共聚物膜制造的DEA的照片。虚线表示在“关闭”状态下的激光斑的初始位置，而在“接通”状态的照片中的底部虚线表示膜的最终位置；以及(b)响应于8kV的施加电压在0.1Hz下制造原样的DEA的初始PUA-PEGDA-10针对时间的竖直挠度。

图14描绘了：(a)由初始批次的PUA-PEGDA共聚物膜(0、5、10和15wt％的PEGDA)制造的DEA的归一化位移对比施加电压；以及(b)响应于8kV的施加电压在0.1Hz下初始PUA-PEGDA共聚物膜(0、5、10和15wt％的PEGDA)针对时间的竖直挠度。

图15描绘了：(a)在0.1Hz下在10Vμm

图16描绘了：(a-d)对于分别由后续批次的PUA、PUA-PEGDA-5、PUA-PEGDA-10和PUA-PEGDA-15制造的DEA，在10Vμm

图17描绘了对于由后续批次的以下制造的DEA，在10Vμm

图18描绘了：(a)安装在柔性PET基底上的使用PUA-PEGDA-10共聚物膜(具有碳脂电极)制造的柔性DEA的照片；(b)柔性DEA的归一化位移对比不同弯曲半径；以及(c)在不同弯曲半径下在30个循环内柔性DEA的位移。

图19描绘了：(a)具有以十字结配置的多个电极的制造原样的DEA阵列的示意图。连接电连接以激活52处的中间三个区域；(b)示出DEA阵列的布置的俯视图；以及(c)使用PUA-PEGDA-15共聚物膜的制造原样的DEA的操作演示。以使得中间结被激活的方式连接电连接。使阵列在大约0.4Hz下经受12Vμm

图20描绘了：(a)将制造原样的DEA阵列集成到表带上，为可穿戴装置提供触觉反馈；(b)示出DEA阵列的布置的俯视图，使得选择的致动在电连接下在顶部和底部电极之间的重叠十字结(52)处；以及(c)使用使用PUA-PEGDA-15共聚物膜的制造原样的DEA阵列的触觉反馈的演示。

图21描绘了：(a)在接通和关闭状态下，用具有银纳米线电极的PUA-PEGDA-10共聚物膜制造的DEA的照片。虚线表示在关闭状态下的激光斑的初始位置，而在“接通”状态的照片中的底部虚线表示膜的最终位置；以及(b)响应于8kV的施加电压在0.1Hz下制造原样的DEA的初始PUA-PEGDA-10针对时间的竖直挠度；以及(c)具有和不具有银纳米线电极的PUA-PEGDA共聚物膜在400-800nm的可见光范围下的光学透射率。

图22描绘了由在3.33mm s

具体实施方式

已经令人惊讶地发现，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料(例如聚氨酯丙烯酸酯)与具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料(例如聚乙二醇二丙烯酸酯)的无规嵌段共聚产生具有优异的介电和机械特性的无规嵌段共聚物膜。将这样的共聚物膜掺入到介电弹性体致动器中改善致动器的静态和动态特性(即最小的致动漂移、更快的致动响应和恢复时间)。有利地，可以通过改变具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的量来针对不同的应用相应地调节共聚物膜的特性。透明致动器也可以使用任何合适的透明或较少光学吸收的电极来获得。

因此，在本发明的第一方面，提供了屈曲致动器，其包括：

第一电极；

第二电极；以及

夹在所述第一和第二电极之间的具有第一表面和第二表面的介电弹性体材料膜，所述材料由以下的无规嵌段共聚形成：

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料；以及

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料

其中：

所述第一电极被布置为覆盖所述介电弹性体材料膜的第一表面上的第一电极面积，以及所述第二电极被布置为覆盖所述介电弹性体材料膜的第二表面上的第二电极面积，使得存在所述第一和第二电极面积之间的重叠的区域，所述区域具有的面积小于所述介电弹性体材料膜的第一或第二表面的面积。

在本文的实施方式中，词语“包括”可以被解释为需要所提及的特征，但不限制其他特征的存在。替代地，词语“包括”也可以涉及其中旨在仅所列举的组分/特征存在的情况(例如，词语“包括”可以被短语“由……组成”或“基本上由……组成”替换)。明确地设想了较广泛和较狭义的解释两者均可适用于本发明的所有方面和实施方式。换句话说，词语“包括”及其同义词可被短语“由……组成”或短语“基本上由……组成”或其同义词所替换，并且反之亦然。

当本文使用时，术语“屈曲致动器”旨在是指屈曲模式致动器，该屈曲模式致动器需要以上列出的部件，但是其还可以包含附加部件。当横跨形成所述致动器的一部分的介电弹性体(DE)施加电压时，屈曲模式致动器展示出平面外挠度。

当本文使用时，术语“第一电极”和“第二电极”旨在是指放置在介电弹性体材料的第一和第二表面上的导电材料。能够传输电流的任何合适的材料都可以用作第一和第二电极，尽管优选地以顺从形式提供所使用的材料。本文可提及的合适材料包括但不限于碳脂、一种或多种金属纳米线、水凝胶、离子凝胶、碳纳米管、液态金属及其组合。在金属纳米线中可以使用任何合适的金属，尽管在本文可提及的特定实施方式中，金属纳米线可以由银形成。如应当理解，第一和第二电极可以不需要由相同的材料制造。这样，可以相应地使用由不同材料制造的第一和第二电极。

当本文使用时，术语“液态金属”旨在是指具有非常低熔点的元素金属或金属合金，其形成在室温下为液体的共晶体(eutectic)。可以用作液态金属的元素金属的实例包括汞、铯、铷、钫和镓。应当理解，在屈曲致动器可能极接近于人(或戴在人的身体上)的应用中，优选使用存在对健康风险较小的金属。这样，可以使用放射性金属的稳定同位素。当合金用作液态金属时，它可以是任何合适的合金，诸如镓铟锡合金，其组分是镓、铟和锡，比例适合于在室温下形成共晶合金(例如68wt％Ga、22wt％In和10wt％Sn)。

在本文可提及的本发明的实施方式中，第一和第二电极可以由银纳米线形成。

如上所述，第一和第二电极将具有第一表面和第二表面的介电弹性体材料膜夹在中间。这样，第一电极可以形成在膜的第一表面上，以及第二电极可以形成在介电弹性体材料膜的第二表面上。为了有效地操作，第一和第二电极在介电弹性体材料膜上的放置可以基本相同，使得重叠程度是基本上完全的，不包括制造公差和可能需要向所述电极供应电流的任何另外布线。

为了适当地起作用，介电弹性体材料膜的第一和第二表面的至少一部分不应分别被第一和第二电极覆盖。在本文可提及的实例中，第一和第二电极面积分别各自可占介电弹性体材料膜的第一和第二表面上的5％至50％、诸如10至40％、诸如15至30％的面积。

为了避免疑问，明确地设想了在本文中引用了与同一特征相关的多个数值范围的情况下，旨在以任何顺序组合每个范围的端点以提供进一步设想的(并含蓄地公开的)范围。因此，关于以上相关的数值范围，公开了以下面积：

5％至10％、5％至15％、5％至30％、5％至40％、5％至50％；

10％至15％、10％至30％、10％至40％、10％至50％；

15％至30％、15％至40％、15％至50％；

30％至40％、30％至50％；以及

40％至50％。

如上文所述，屈曲致动器需要介电弹性体材料膜的存在。介电弹性体材料是一类智能材料，当经受外部刺激(即施加电流)时可产生大的应变(即机械变形)。此外，当介电弹性体材料经受这样的应变时，由于所述应变它也可产生电流。在本文公开的本发明的方面和实施方式中使用的介电弹性体材料膜通过以下的无规嵌段共聚形成：具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。

当本文使用时，“丙烯酸酯端基”旨在涵盖可在这样的共聚反应中可行使用的任何丙烯酸酯基团。合适的丙烯酸酯基团的实例包括没有取代基的丙烯酸酯基团本身或其烷基衍生物，诸如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯等。

类似地，当本文使用时，“乙烯基端基”旨在涵盖可在这样的共聚反应中可行使用的任何乙烯基基团。合适的乙烯基基团的实例包括在未取代的乙烯基基团的一个或多个未取代位置上没有取代基的乙烯基基团本身或其烷基衍生物，诸如甲基基团、乙基基团等。合适的具有两个或更多个乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料的实例可以由本文公开的具有两个或更多个丙烯酸酯端基的包括硅或氮原子的聚合物材料类推。

在本发明的特定实施方式中，丙烯酸酯端基可以是优选的。

介电弹性体材料膜通过以下的无规嵌段共聚形成：具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。如应当理解，所得共聚材料的一种或多种确切结构将取决于存在的丙烯酸酯或乙烯基端基的数目。不希望受到理论的束缚，在包括硅或氮原子的聚合物材料和极性聚合物材料两者都具有两个丙烯酸酯或乙烯基端基的实施方式中，据信所得产物可以具有选自式Ia、Ib和Ic的多种结构中的一种，其中A表示包括硅或氮原子的聚合物材料，而B表示极性聚合物材料。

不希望受到理论的束缚，据信极性聚合物材料(例如PEGDA)的引入导致一种或多种所得共聚物材料的机械特性的显著变化。这可能是由于由极性聚合物材料的添加导致的聚合物基质内的化学交联数目的增加，其可能起到将聚合物链彼此锚定的作用，以及因此使聚合物链彼此横向滑动最小化。当与仅包含包括硅或氮原子的聚合物材料的材料相比时，这由一种或多种所得共聚物材料的粘弹性性质显著降低以及断裂伸长率特性证明，其示出了高的断裂伸长率(参见实施例2)。通过以下事实提供了附加证据：机械循环加载期间的迟滞损耗随介电弹性体材料中极性聚合物材料(例如PEGDA)的浓度增加而减少。这种迟滞损耗的减少指示了分子运动的能量耗散减少。进一步地，所得共聚物材料还具有比不包括极性聚合物材料的聚合物材料的介电常数更高的介电常数。如应当理解，当将一种或多种这样的共聚物材料掺入到本发明的屈曲致动器中时，本文公开的材料的增强特性改善了致动器的性能。

如应当理解，式Ia至Ic旨在说明可通过上述的具有两个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料与具有两个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的反应获得的可能的结构。这是因为这些材料之间的反应将是无规的，并且因此无法预测组分A和B(如上定义)的确切组合。进一步地，还应当理解，这些结构中的一种或多种可以存在于反应产物中，因此可以将其描述为包括所建议的式Ia至Ic的结构中的一种或多种的混合物。

最后，应当理解，当包括硅或氮原子的聚合物材料和/或极性聚合物材料中的一种或两种具有三个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基时，所得共聚物或聚合物网络、混合物可由其中在每种组分上存在两个丙烯酸酯或乙烯基端基的情况的以上描述类推。

如下所述，氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料(PUA)可用作包括硅或氮原子的聚合物材料。通常，在屈曲介电弹性体致动器(DEA)中使用的PUA的任何替代物都应具有高的断裂应变，以及因此低的弹性模量。这确保了当施加电场时介电弹性体容易变形，允许发生平面外位移。然而，为了减少机电不稳定的趋势，模量不应太低。这样，弹性模量可以在例如0.1至4MPa之间，诸如0.3至4MPa。

在本发明的实施方式中可以使用任何合适的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料。合适的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料的实例包括但不限于：具有两个或更多个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料、聚(二甲基硅氧烷)二甲基丙烯酸酯以及具有两个或更多个丙烯酸酯端基的热塑性聚氨酯。

合适的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料可以是具有的数均分子量大于20,000道尔顿(例如20,001至50,000道尔顿)的材料。不希望受到理论的束缚，据信如果数均分子量小于20,000，则将不能形成膜，并且所得材料也太硬。此外，合适的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料可以是具有的断裂伸长率大于或等于200％的材料(如何测量断裂伸长率的细节在下面的实施例部分中提供)。

在本文可描述的本发明的实施方式中，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料中的一者或两者可具有两个丙烯酸酯端基。

任何合适的具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料可以用于本发明的实施方式中。这样的合适的材料的实例包括但不限于具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料。具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料的实例包括但不限于：CN310、CN8881、CN8884、CN8888、CN9004、CN9014、CN9028、CN9031、CN9002、CN966J75、CN9018、CN9021、CN3108、CN3211、CN8004以及其组合。在本文可提及的本发明的特定实施方式中，具有两个丙烯酸酯端基的氨基甲酸酯丙烯酸酯聚合物材料可以是CN9021。

如应当理解，以上提供的名称是用于具有两个丙烯酸酯端基的脂族丙烯酸酯聚合物材料的商品名。然而，尽管据信这些材料具有共同的结构，表示为下面的式II，但是制造商保留了这些材料的确切组成作为商业秘密。

在上面式II中的-[O-R

可以在上述材料中使用的合适的聚醇的实例包括但不限于聚乙二醇和聚(丙二醇)。可以在上述材料中使用的合适的聚丙烯酸酯的实例包括但不限于聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)、聚(丙烯酸2-羟乙酯)和聚(丙烯酸2-羟丁酯)。如应当理解，术语“聚醇”和“聚丙烯酸酯”在本文中用于指形成本文公开的脂族丙烯酸酯聚合物材料的一部分的聚合物材料。为了避免疑问，术语“聚醇”在本文中可以用来指聚醚，诸如聚乙二醇。

在上面式II中的R

当本文使用时，术语“极性聚合物材料”在本文中可以旨在是指一种材料，该材料具有的数均分子量为200至1,000道尔顿(例如250至750道尔顿、诸如400至600道尔顿、诸如575道尔顿)。所述极性聚合物材料具有将倾向于与交变电场的场方向对齐的聚合物结构。此外或替代地，当本文使用时，术语“极性聚合物材料”可以是指一种材料，该材料具有的介电常数高于具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料。极性聚合物材料的断裂伸长率可以为0-150％(如何测量断裂伸长率的细节在下面的实施例部分中提供)。如应当理解，此处列出的一些极性聚合物材料由于其低分子量可能无法形成膜，意指这些材料具有的断裂伸长率实际上为0％。

不希望受到理论的束缚，具有的数均分子量在200至1,000道尔顿的范围内的极性聚合物材料的选择可以使该材料充当本文所述的介电弹性体材料中的交联剂。此外，不希望受到理论的束缚，据信极性聚合物材料(例如聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA))可以具有与包括硅或氮原子的聚合物材料相比相对高的其分子量的极性基团的密度。

为了避免疑问，本文所述的极性聚合物材料不包含硅。在本文可提及的特定实施方式中，本文提及的极性聚合物材料不包含硅和/或氮原子。

本文使用的极性聚合物材料可以提供与所得介电弹性体材料的交联。尽管这些化学交联的存在增加了介电弹性体材料的弹性模量，但是引入存在于极性聚合物材料中的附加极性基团增强了介电弹性体材料的介电常数，抵消了其对致动性能的影响，诸如最大面积应变和功密度。

在下文所述的实施方式中，聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)被用作与CN9021组合的极性聚合物材料。在这些实施方式中，随着PEGDA的浓度增加，观察到的弹性模量也增加，导致机电不稳定的抑制。这在使用PEGDA(和类似的聚合物分子)与小的交联分子诸如1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)之间提供了关键的区别。当比较HDDA和PEGDA的化学结构(PEGDA的结构如图1b中示出)时，可以观察到与HDDA相比，PEGDA中存在显著更多的极性基团(C-O)，导致介电常数的整体增加。这突出显示了可以充当极性交联剂的极性聚合物分子需要包含具有极性基团的重复单元。

PEGDA的替代物应包含足够的极性基团，使得所得聚合物的介电电容率增加。另外，这些极性化合物应该是可以反应的二(或更多)官能团，使得它们可以充当极性交联剂以锚定聚合物链以调节粘弹性。以下提供了这样的基团的实例。

可以使用任何合适的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。例如，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料可以选自包括但不限于以下的列表：聚(三羟甲基丙烷三丙烯酸酯-co-二甲基丙烯酸乙二酯)、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯、聚(丙二醇)二甲基丙烯酸酯以及其组合。在本文可提及的特定实施方式中，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料可以是聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)。如上文所述，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料可具有两个丙烯酸酯端基。

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的任何合适的分子量可用于形成介电弹性体材料。例如，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料可具有的数均分子量为200至1,000道尔顿、诸如250至750道尔顿、诸如400至600道尔顿、诸如575道尔顿。

本文可以在介电弹性体材料中使用任何合适量的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。在本发明的实施方式中，具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料在介电弹性体材料中的存在量可以为5至15wt％，诸如10至15wt％。介电弹性体材料的余量可以是具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料，以及用于形成所述介电弹性体材料的反应中使用的任何引发剂的残余物。

由具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的反应形成的介电弹性体材料可具有以下中一种或多种：

(Ai)介电常数(ε

(Aii)弹性模量为0.1至4MPa，诸如0.3至4MPa；

(Aiii)介电击穿小于或等于30V/μm、诸如10V/μm至25V/μm、诸如8V/μm至25V/μm、诸如10V/μm至20V/μm；以及

(Aiv)断裂伸长率大于50％、诸如50至960％、诸如50至500％、诸如150至450％、诸如423％。

下面的实验部分提供了如何测量这些特性的细节。

介电击穿可在电场(对于特定材料)下确定，其中在致动测量期间存在超过0.01mA的电流浪涌。断裂伸长率可以由如以下实施例部分中所述的拉伸测试来确定。

所得屈曲致动器在向第一和第二电极供应电压时可具有的位移小于或等于1,250μm、诸如100至1,250μm、诸如500至1,250μm、诸如250至750μm、诸如1,000至1,250μm。下面的实验部分提供了如何测量这种特性的细节。更特别地，100至1,250μm的位移可以是指静态反馈，而对于动态反馈，位移可以为约0.1μm(例如，0.01至10μm，诸如0.05至1μm)。

当本文使用时，术语“动态位移”是指通过施加交流(AC)电场而实现的位移，其中屈曲致动器可由于波动电场而迅速改变形式。相比之下，当本文使用时，“静态位移”是指由直流(DC)电场产生的位移，其中致动器将屈曲并且不返回到其原始状态直到去除电场。

不希望受到理论的束缚，屈曲(或平面外挠度)通常是由在施加电压期间沿着整个致动器产生的压缩应力引起的。如图8a中示出的，这引起电有源(electro-active)面积(具有重叠电极的区域)和电无源(electro-passive)面积(不具有电极的区域)的膨胀之间的冲突。当向电极施加电压时，电有源区域将试图膨胀。然而，由于没有向电无源区域施加电压，它将保持停滞或“固定”。这样，电无源区域由此与电有源区域的膨胀相反并产生引起屈曲的压缩应力。

为了稳定的平面外致动，有源区域(重叠电极)的面积应最多为介电弹性体的整个面积的50％。例如，第一和第二电极面积分别各自可占介电弹性体材料膜的第一和第二表面上的5％至50％、诸如10至40％、诸如15至30％的面积。这确保了无源区域提供足够的压缩应力以引起平面外致动。

如应当理解，与当前描述的屈曲致动器系统相关的优点为，它们不需要包括任何刚性边界或任何框架(刚性或另外的)来引起压缩应力。这样，也可以将本文所述的屈曲致动器放置在柔性基底(例如，如在实施例6和图18a中示出的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基底)上以提供柔性。在这样的实施方式中，第二电极可以放置在柔性基底上，以及介电弹性体材料膜形成在柔性基底和第二电极的至少一部分的顶部上。如应当理解，由于如本文所述的术语“第一”和“第二”本质上是任意的，因此相反的布置是正确的。这样的材料还允许开发甚至在弯曲状态下也可以操作的完全柔性的致动器。

在又另外的实施方式中，如果这是所希望的，也可以将柔性基底附接在屈曲致动器的第一和第二表面两者上。

如上所述，本文公开的屈曲致动器不需要包括任何种类的刚性约束构件。因此，当施加电压时，本文所述的屈曲致动器能够在不存在刚性约束构件情况下产生平面外致动。

考虑到用于制造本文所述的屈曲致动器的材料的类型，与这些装置相关的另外优点是它们可以是透明的。换句话说，介电弹性体材料、第一和第二电极以及(当存在时)一种或多种任何柔性基底可以全部选择为透明的。

此外，与使用仅包含包括硅或氮原子的聚合物材料的材料相比，在屈曲致动器中使用介电弹性体材料允许致动器实现优异的性能。这些改善的性能包括具有最小漂移的稳定且更大的致动以及更快的响应和恢复时间，其在下面的实施例中进行描述。进一步地，抑制了致动器的拉入不稳定性，因此允许具有更大的平面外位移高度(即，最高达1.5-2.0mm，参见图14a和21b)的增强的致动性能，这大于在触觉装置中检测所需的最小皮肤变形。

如应当理解，本文公开的屈曲致动器的应用可以涉及单独使用的单个屈曲致动器，彼此完全隔离地使用的多个屈曲致动器或在阵列中使用的多个屈曲致动器。这样，本文还公开了包括多个屈曲致动器的屈曲致动器的阵列。这样的屈曲致动器的阵列的实例是其中屈曲致动器以十字结配置布置的阵列。在以下实施例部分中描述了这种布置的另外细节。如应当理解，可以使用任何合适的屈曲致动器的阵列。当本文使用时，术语“致动器的阵列”旨在是指电连接在一起的多个致动器，使得多个致动器中的多于一个可以在任何一个时间下由单个电源激活。

在本发明的另外方面，还公开了通过以下的无规嵌段共聚形成的介电弹性体材料：

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料；以及

具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料。

如应当理解，在此方面中公开的介电弹性体材料与上面作为屈曲致动器的一部分公开的介电弹性体材料相同，以及因此，以上针对介电弹性体材料描述的变化在此也适用，并且将不再重复。

上述介电弹性体材料可以通过任何合适的方法形成。本文可使用的特定方法包括以下步骤：

(i)在自由基引发剂存在下以及任选地在溶剂存在下，提供包括具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料与具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的混合物；以及

(ii)使所述混合物在升高的温度下反应一段时间，以提供所述介电弹性体材料。

尽管反应本身不需要溶剂，但是当试图制造200μm或以下的薄膜时，包括溶剂可能是有用的，因为否则所用材料的粘度可能使实现这一目的具有挑战性。如应当理解，可以将混合物(与溶剂一起)浇铸到培养皿(或其他容器)上，并使溶剂蒸发掉而留下所需的薄膜。此外或替代地，可以添加溶剂(如果需要)以帮助控制混合物的粘度，以便于促进介电弹性体材料的印刷。

由于上面已经详细描述了具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料，因此在此不再对它们进行描述。为了避免疑问，以上针对具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料所提供的描述适用于在形成介电弹性体材料的方法中的这些组分。

如应当理解，由于本文所述的介电弹性体材料可以在如本文所述的屈曲致动器中找到应用，因此可以在完成以上步骤(ii)之后以膜的形式提供介电弹性体材料。

在上述方法的实施方式中，溶剂和具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料可具有的重量与重量比率为10:1至1:1，诸如3:1至1:1。如应当理解，可以使用与反应条件相容的任何合适的溶剂。合适的溶剂包括但不限于丙酮和/或异丙醇。

以上步骤(ii)中的反应涉及升高的温度-即高于发生反应的环境的正常环境温度的温度。可以使用任何合适的升高的温度。合适的升高的温度的实例包括但不限于50至100℃，诸如70至90℃。如应当理解，反应温度可以限制为存在的任何溶剂的沸腾温度，这将进而受到存在于其中的具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的包括硅或氮原子的聚合物材料以及具有两个或更多个丙烯酸酯或乙烯基端基的极性聚合物材料的量的影响。在溶剂达到其沸腾温度的实施方式中，反应可以在回流条件下运行，使得蒸发的溶剂被冷凝并返回到反应混合物中。

可以将以上步骤(ii)中的反应运行任何合适的时间段，以提供期望的介电弹性体材料。合适的时间段的实例包括但不限于10分钟至24小时、诸如15分钟至12小时、诸如20分钟至1小时、诸如30分钟的时间段。

如上所述，制造介电弹性体材料的方法的步骤(i)中使用的反应混合物需要自由基引发剂的存在。与丙烯酸酯基团(如本文所定义的涵盖丙烯酸烷基酯基团)和/或乙烯基基团一起使用的任何合适的自由基引发剂可以在所述方法中使用。可以使用任何合适量的自由基引发剂。例如，自由基引发剂的存在量为混合物的至少1wt％(例如混合物的1wt％至10wt％，诸如1wt％至5wt％)。当本文使用时，术语“混合物”旨在是指除任何溶剂(如果存在)之外的所有组分。

如应当理解，本文公开的屈曲致动器可以应用于其用途可以是有价值的任何应用。这些包括但不限于训练系统(诸如用于医学、航空航天和防御)、游戏、机器人和盲文阅读器以及高精度应用，诸如可调谐镜片和光栅。

如本文所述，本文所述的介电弹性体材料能够实现最大应变面积，该最大应变面积显著高于由也需要更高操作电压的低粘弹性材料(诸如硅酮)所可实现的最大应变面积。此外，如上文所述，本文公开的屈曲致动器不需要包括刚性部件，这些刚性部件通常用于实现预拉伸状态以减少粘弹性效应并改善致动性能。通过不需要刚性部件来起作用，所公开的屈曲致动器更容易集成到柔软且柔性主体中，这可以使它们更容易地能够用于可穿戴装置的形成中。

现将通过参考以下实施例来描述本发明的另外方面和实施方式。

实施例

CN9021，被开发用于层压和压敏胶粘剂的脂族聚氨酯丙烯酸酯(PUA)，购自Sartomer公司，并且按收到原样使用。据说CN9021具有：粘度(在60℃下)为1500-3500cps；弹性模量为0.827MPa；以及玻璃化转变温度为-54℃。具有的平均M

通用方法1–介电弹性体致动器(DEA)的性能表征

使用Epsilon optoNCDT激光位移传感器确定自电极中心的竖直挠度。对于静态致动实验，电压以每10秒增加0.5kV。通过根据几何关系计算电极面积的变化来确定致动应变。使用Trek

实施例1.包含各种量的PEGDA的PUA-PEGDA共聚物膜的合成与表征

使用聚氨酯丙烯酸酯(PUA，CN9021)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)通过自由基聚合(或无规嵌段共聚)合成用于制造本发明的介电弹性体致动器的PUA-PEGDA共聚物膜。

实验–合成与表征

以下描述了PUA-PEGDA共聚物膜的典型合成顺序。将PUA(CN9021)与不同浓度的PEGDA(5、10和15wt％，M

通常，进行反应或制备本发明的共聚物膜不需要溶剂。然而，CN9021聚合物材料的高粘度使其难以制造<200μm的薄膜。因此，<200μm的较薄膜可以通过将丙酮以1:1重量比添加到CN9021树脂中来制造。

当将混合物(与溶剂一起)浇铸到培养皿上时，溶剂被蒸发掉，留下薄膜。

使用傅里叶变换红外(FTIR-ATR，Perkin Elmer，Frontier)光谱，通过以4cm

结果与讨论

使聚氨酯丙烯酸酯(PUA)类型CN9021与低分子量PEGDA(M

通常，在第一步骤(引发)中，将AIBN自由基引发剂在90℃下活化以形成自由基，这些自由基通过加成反应与PEGDA或PUA(CN9021)的单体反应。在增长步骤中，聚合物链通过依次添加PEGDA或PUA单体以形成大自由基而生长。最后，在终止步骤中，聚合物大自由基结合在一起以形成由PUA和PEGDA单体构成的无规嵌段共聚物。这种聚合机理模式的可行性可以归因于PEGDA和PUA中碳双键的存在，这允许它们经受加成反应。

为了验证两种化合物之间的成功共聚，通过FTIR(图2a和b，分别对于初始和后续批次的PUA-PEGDA)和NMR谱表征合成原样的聚合物。合成原样的原始PUA膜的FTIR测量展示出在2750-3100cm

表1.合成原样的PUA-PEGDA共聚物的特征FT-IR峰

进一步地，PUA-PEGDA共聚物的

实施例2.用各种量的PEGDA的合成原样的PUA-PEGDA共聚物膜的介电和机械特性

研究了实施例1的合成原样的PUA-PEGDA的介电和机械特性，以研究将各种量的PEGDA掺入到共聚物膜中的效果。

实验

使用Agilent E4980a LCR仪表在1kHz至1MHz的频率范围内进行介电常数测量。向样品施加1V的AC信号，并用以下关系从测量的电容计算介电常数：C＝(ε

根据ASTM D638-14，V型制备拉伸测试样本。在Instron 5567通用测试机上以3.33mm s

表2.合成原样的聚合物膜的机械特性的比较。

结果与讨论

对于初始批次的PUA-PEGDA共聚物，观察到PEGDA的添加导致合成原样的PUA-PEGDA共聚物的介电常数的改善(图3a)。还研究了具有各种浓度PEGDA的后续批次的共聚物膜的介电电容率。与初始批次相似，随着PEGDA浓度增加，观察到电容率的巨大改善(图3b)。介电电容率在1kHz下从5.52增加至8.87(图3b)，而商业VHB 4905(用于比较)在1kHz下具有的测量的电容率为4.4。这种改善可以归因于共聚物膜的极性的增加，由于随着PEGDA含量增加，极性C-O和C＝O基团的数目增加。此发现表明，可以通过控制PEGDA的浓度来调节膜的介电特性。这是重要的，因为介电电容率与所产生的麦克斯韦压力成比例，因此，介电常数的增加可由于麦克斯韦压力的增加而有助于改善介电弹性体致动器的性能。

随着频率增加，共聚物的电容率降低，对于初始和后续批次分别如在图4a和b中示出的。这种现象通常与介电弛豫有关，其中聚合物链上的极性基团无法跟上交流电，导致对介电电容率的贡献损失。

PEGDA和原始PUA之间的化学交联对机械特性的影响可以分别从图5a和b中的初始和后续批次的共聚物膜的应力-应变曲线中观察到。在图5a中的应力-应变曲线中观察到初始批次的共聚物膜的弹性模量的增加。随着交联密度增加，缺陷诸如微孔和裂纹的数目可减少，因此改善了聚合物的介电击穿强度。

具有浓度最高达10wt％的PEGDA的后续批次的PUA-PEGDA共聚物膜展现出非线性行为，由于聚合物链的展开，在低应变下应力缓慢逐渐增加(图5b)。然而，在较大应变下，随着聚合物链开始变得拉紧和对齐，弹性体展现出应变硬化行为，其中弹性模量迅速增加。

在15wt％PEGDA下，由于交联增加，非线性弹性体行为减弱，伴随最大可获得的伸长率减少。这种现象伴随表观模量的减少，这可归因于当PEGDA丙烯酸酯基团在更高浓度下彼此反应的可能性增加时，交联结之间的长度增加。随着PEGDA和PUA聚合物链之间化学交联数目的增加，链的移动性受到严格限制，这使原始PUA的最大伸长率从960％伸长率减少到167％。注意到，15wt％的PEGDA下的最大伸长率与由Dow Corning的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(Sylgard 184)的最大伸长率相当。以上表2中提供了所制造的膜的机械特性的总结。

在初始批次的共聚物膜上进行的加载和卸载循环测试示出了膜的迟滞行为，这支持了随着PEGDA浓度增加膜的粘弹性性质降低(图6a-d)。这些迟滞曲线是在以3.33mm/s的应变速率与50％的极限应变加载和卸载的聚合物膜上进行的拉伸测试的结果。图6a-d中示出的随着PEGDA浓度增加的迟滞损耗的减少可能与由于化学交联导致的膜的粘弹性行为的下降有关。

进行后续批次的共聚物膜的加载-卸载循环测试(以1mm s

随着PEGDA浓度增加，观察到第一个循环后迟滞损耗的减少。这很可能是由于聚合物链之间交联密度的增加，这限制了运动并降低了耗散能。此外，迟滞的减少意味着减少的粘弹性损耗，这可以与通过最高达1050个循环的循环测试(图17a-h)的改善的机电稳定性相关。

此现象有助于增强的介电弹性体致动器的动态响应时间，这在实施例5中进行讨论。

实施例3.使用碳脂作为电极来制造本发明的介电弹性体致动器(DEA)

实施例1的合成原样的PUA-PEGDA共聚物膜用于制造本发明的屈曲介电弹性体致动器(DEA)。

如图8a和b中示出的，DEA(10)包括PUA-PEGDA共聚物膜(15)的层，在膜(15)的每个顶表面和底表面上均涂覆有导电电极(20)。电极(20)定位在膜(15)上，使得它们彼此重叠。膜(15)上被电极(20)覆盖的面积是电有源面积，而未被电极覆盖的面积是电无源面积。此外，可以将导电带(25)施加到膜(15)上，以将电极(20)延伸到膜(15)的周边。这样的导电带(25)为进一步远离电极并且更靠近膜(15)的外围的电流源提供了导电点。这允许电流源远离电极施加，以最小化对DEA的破坏。这样的导电带(25)可以具有与电极相同的材料。为了实验的目的，具有窗口的玻璃基底(30)用于支撑DEA。如果需要，可以用任何其他材料(例如，布、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或任何塑料基底)替换基底(30)以提供柔性。DEA的操作对所使用的基底几乎没有依赖性，因为它可以采用宽范围的基底，诸如布、PET或甚至玻璃。然而，应当理解，DEA也可以在没有基底(30)的情况下起作用。基底的使用仅是为了支撑DEA进行实验测量。DEA的横截面视图和照片分别示出在图8c和d中。

通常，将具有的平均厚度为0.43mm的实施例1的合成原样的PUA-PEGDA共聚物膜(PUA、PUA-PEGDA-5、PUA-PEGDA-10或PUA-PEGDA-15)放置在用2cm x 2cm孔制备的内部玻璃固持器上，以允许平面外致动。使用碳脂作为电极，将该碳脂涂覆在膜的顶表面和底表面上的具有的直径为3mm的圆形面积上。铜胶带用于提供与Unicorn UHP-75高压DC电源的电连接。

实施例4.制造原样的DEA的静态性能和温度稳定性

评估实施例3的制造原样的DEA的静态性能和温度稳定性，以理解使PUA-PEGDA共聚物膜包含各种量的PEGDA对DEA的影响。

实验

按照如在通用方法1中所述的方法评估制造原样的DEA的静态性能。

为了确定DEA的温度稳定性，在液态N

面积应变是由致动之前和之后的电极面积的差异得出的。通过假定电极区域在致动期间形成了完美的圆顶，考虑了几何关系(Carpi,F.,et al.,SmartMater.Struct.2015,24,105025)。这样，可以如下计算面积应变：

其中h

除了使用面积应变来确定DEA的性能外，还根据对类似装置配置的研究(Renard,C.,et al.,Appl.Polym.Sci.2017,134,45123；Chen,T.,et al.,Soft Mater.2015,13,210-218)表征挠度应变(还称为挠度与厚度比)。

结果与讨论

为了演示完全柔性的装置，在没有任何弹性体膜预拉伸的情况下，设置了屈曲模式致动器。将碳脂涂覆在两个表面上，具有圆形重叠区域，该区域被定义为电有源区域。

典型地，当电有源区域针对没有重叠电极的DEA的无源区域膨胀时，膜发生屈曲。这种现象产生了边界条件，该边界条件抑制了电有源区域的侧向膨胀，并横跨DEA产生了压缩应力。当超过屈曲极限时，随着膜屈曲而实现平面外挠度。使用激光位移传感器测量了致动的平面外位移(图9a和b)。

根据几何关系从电有源面积的变化确定面积应变(图9c，10a-d)，而基于挠度与厚度比确定挠度应变(图11)。如图9c和图10a中示出的，原始PUA在介电击穿之前展现出面积应变的突然增加，这在PUA-PEGDA-5、-10和-15共聚物中未观察到(图10b-d)。此发现归因于PUA的非线性行为，超过10％应变，其模量变得显著小于PUA-PEGDA共聚物的模量(图5a)。在不应用预应变来防止机电不稳定的情况下，PUA的早期击穿是预期的。

相比之下，具有较高浓度PEGDA(10wt％和15wt％)的共聚物示出了超过原始PUA和PUA-PEGDA-5的击穿强度的耐受性(图10c和d)。这是由于来自化学交联的刚度增加，这降低了机电不稳定的可能性。在这种影响情况下，在更高的电场强度下对PUA-PEGDA-10和PUA-PEGDA-15进行测试，以实现比PUA或PUA-PEGDA-5更高的最大应变。下表3中呈现了没有预应变的DEA材料的面积应变之间的比较。与低粘弹性材料(诸如硅酮)相比，PUA-PEGDA-15在较低的电场强度下展示出较高的面积应变，没有预拉伸。此发现可以归因于高介电电容率，这导致了更高的产生的麦克斯韦压力。还观察到PUA和PUA-PEGDA共聚物的挠度应变遵循面积应变的相似趋势。

表3.没有预应变的各种DEA材料之间的面积应变的比较。

a.Zhang,Y.Y.,et al.,Polym.Compos.2019,40,E62-E68.

b.Zhang,L.,et al.,J.Mater.Chem.C 2015,3,4883-4889.

c.Sun,H.,et al.,Polym.Chem.2019,10,633-645.

d.Zhao,Y.,et al.,Polymer 2018,137,269-275.

e.Shankar,R.,et al.,Macromol.Rapid Commun.2007,28,1142-1147.

f.Renard,C.,et al.,RSC Adv.2017,7,22900-22908.

g.Xiang,D.,et al.,RSC Adv.2017,7,55610-55619.

在等容假定下，材料的功密度(u

如图9d中示出的，随着PEGDA浓度增加，由交联增加引起的功密度的减少逐渐最小化。在最高达15Vμm

为了说明DEA的温度依赖性行为，确定了随温度而变化的机电敏感性(图12)。此处，电化学敏感性(或稳定性)定义为1kHz下的介电常数与储能模量之间的比率(Zhao,H.,et al.,Appl.Phys.Lett.,2015,106,092904；Sheng,J.,et al.,J.Macromol.Sci.B,2012,51,2093-2104)。显然，不添加极性交联的PUA示出了差的温度稳定性，从-40℃至100℃跨度接近两个数量级。这可以归因于聚合物链随温度的增加的运动。随着PEGDA的引入，这种分子运动被限制，因此在宽的温度范围内产生了更稳定的机电敏感性。

实施例5.本发明的DEA的动态性能

接下来评估实施例3的制造原样的DEA的动态性能，以理解使PUA-PEGDA共聚物膜包含各种量的PEGDA的影响。按照如在通用方法1中所述的方法评估制造原样的DEA的动态性能。

结果与讨论

由初始批次的PUA-PEGDA共聚物膜制造的DEA

为了评估本发明的屈曲DEA的致动/动态特性，首先通过从平衡位置去除漂移效应并取在30个循环内实现的平均位移来对由激光传感器记录的竖直位移运动进行归一化。当对DEA施加电压时，共聚物膜在电极的重叠圆形面积处向下下沉，如在图13a中的DEA的照片中示出的。

此外，还可以允许致动器向上上升-这可以通过使用非活性膜下方的空气压力来实现，以产生圆顶形状，因此将位移向上导引。替代地，致动器也可以配置为在没有外部帮助(空气压力)下向上上升。这是通过使用不对称电极(即由不同材料等制造的)来实现的，由此顶部和底部电极具有不同的机械特性。当施加电压时，将朝较软侧发生平面外致动。

对于具有不同浓度的PEGDA的共聚物膜，随施加电压而变化的归一化位移如图14a中示出的。观察到，随施加电压较高，实现较大的竖直位移。这是由于在较高电压下，DEA上的麦克斯韦压力较大，这引起了较大的位移。此外，与原始PUA膜不同，超过8kV测试了PUA-PEGDA共聚物膜，而没有经历介电击穿。当发生介电击穿时，电流能够流过聚合物膜，引起该膜变得导电并且无法致动。使用PUA-PEGDA共聚物膜对DEA的这种改善可归因于由于化学交联的共聚物膜的弹性模量的增加。对于PUA-PEGDA-5和-10，观察到获得最高达1.5mm的平均位移，这大于在触觉装置中检测所需的最小皮肤变形。

进一步地，观察到，由PUA-PEGDA共聚物膜制造的DEA发生了离平衡的最小致动漂移，其显著低于原始PUA(图13b和14b)和VHB聚合物(L.Lei,et al.,Smart Mater.Struct.,2014,23,025037)的致动漂移。最小的致动漂移连同快速的响应时间一起可以归因于通过化学交联减少了聚合物的粘弹性性质。随着化学交联增加，分子移动性被限制，因为它受到相邻分子或官能团的阻碍，这减少了共聚物的粘弹性。

此外，弹性模量的增加可通过防止弹性体的过度稀疏而抑制机电不稳定，该过度稀疏可导致介电击穿，因为跨膜的电场迅速增加。原始膜的这种增强还导致实现了最高达1.5mm的竖直位移。为了量化致动器的响应时间，记录了对于每个循环达到最大峰的90％所花费的时间。进一步地，蠕变恢复时间被确定为对于每个循环达到最小值的90％所花费的时间。从图15a中的各自循环分布来看，PUA-PEGDA共聚物膜示出了响应和恢复时间的显著改善，其中PUA-PEGDA-10分别实现了0.66s和0.69s的最快速度。这代表了超过原始PUA膜的巨大改善，其中响应和恢复时间分别为约3.5s和4.0s，而常用的VHB聚合物具有的应变响应在3min后继续增加。值得注意的是，与原始PUA相比，PUA-PEGDA-5的响应和恢复时间改善至少五倍(图15b)。

由后续批次的PUA-PEGDA共聚物膜制造的DEA

由后续批次的PUA-PEGDA共聚物膜制造的屈曲模式DEA的动态性能和耐久性通过在0.5Hz频率下进行循环测试1050个循环进行了评估。为了评估粘弹性漂移的影响，对上述所有DEA的前145个屈曲循环进行了研究(图16a-d)。后续循环在图17a-h中示出。观察到用PUA和PUA-PEGDA-5制造的DEA在达到稳定状态之前从其平衡位置逐渐漂移大量(>0.15mm)。这样的行为是膜固有的粘弹性特性的结果，其中弛豫时间比循环时间更慢，并且能量由聚合物链彼此横向滑动而耗散。在具有高粘弹性的弹性体(例如VHB聚合物)中已观察到类似的行为。

引入PEGDA作为化学交联，其锚定聚合物链以减少分子运动，导致更好的热稳定性(图12)、更快的弛豫时间和最小的DEA漂移。这些发现在图16a-d中是明显的，其示出与PUA的粘弹性漂移相比，PUA-PEGDA-15样品的粘弹性漂移显著降低。在145个循环结束时，PUA离其初始开始点漂移了0.28mm的距离，而PUA-PEGDA-15漂移了仅0.09mm的距离。随着粘弹性漂移减少，可以获得更好的定位精度。

此外，通过调节聚合物膜的粘弹性性质，也可以控制致动器的响应时间。为了允许达到峰位移的足够的时间，在0.1Hz下施加电压。致动器的响应时间t

如上所述，与单独PUA相比，本文公开的PUA-PEGDA材料实现的响应时间可减少超过50％。考虑到可以在小于一秒内达到最大振幅的90％，连同稳定且可靠的性能(由于粘弹性漂移随PEGDA浓度增加而显著减少)，允许屈曲致动器用于广泛的高精度应用中。这些包括但不限于可调谐镜片和光栅。

实施例6.安装在柔性基底上的DEA的特性

将PUA-PEGDA共聚物安装到柔性基底上，以制造完全柔性的DEA(图18a)。在这项研究中，使用合成原样的PUA-PEGDA-10共聚物膜，而将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基底用作基底30(在图8b中)。尽管如此，应注意到DEA将能够在没有基底下操作。通常，将具有大于电极面积但小于介电弹性体的孔的PET基底用于安装DEA。孔是为了防止在致动期间抑制DEA的竖直位移而创造的。使用胶带(3M VHB胶带F9473PC)将介电弹性体层粘附到基底上。

如图18c中示出的，使制造原样的DEA经受各种弯曲半径，范围从约-6cm(向下弯曲)以及最高达7cm(向上弯曲)。从图18c来看，观察到致动器在30个循环内保持功能，离其平衡位置具有最小漂移，并且展示出稳定的致动。令人惊讶地，尽管PUA-PEGDA-10共聚物膜向上弯曲，但仍继续向下屈曲，这与使用几何支撑物产生预弯曲以促进单轴屈曲的报道(R.Vertechy,et al.,Smart Mater.Struct.,2012,21,094005)不同。此外，从图18b来看，基于30个循环内的归一化位移，发现弯曲半径对装置性能具有最小退化，其中连续循环后从测试样品中发现的最大位移减少约30％。另外，还可以通过使用非活性膜下方的空气压力以产生圆顶形状来允许致动器向上上升，这将位移向上导引，或如以上实施例5中所述。因此，PUA-PEGDA共聚物膜和DEA配置被证明是高度稳定的且可机械变形的，使它们高度适合于软机器人应用的成形。

以上展示了通过将共聚物安装在柔性PET基底上而在没有刚性部件的屈曲致动器中使用PUA-PEGDA共聚物。进一步地，当基底弯曲时，仍然可观察到平面外致动，这暗示了这样的致动器在触觉装置中的潜在用途。

实施例7.具有选择性致动的介电弹性体致动器阵列的制造以及其集成到可穿戴装置中

先前的实施例3-6已经示出了在单个局部面积处提供致动的DEA的制造。为了证明在选定的多个点处致动的可行性，制造了DEA阵列，该阵列包括通过十字结配置的电极阵列(图19a和b)。

在如图19a和b中示出的设置中，三个碳脂电极(42，44)被施加到PUA-PEGDA共聚物膜(46)的每个顶表面和底表面上，使得顶部和底部电极是彼此垂直的。为了提供选择性致动，顶部的三个电极(42)和底部的中间电极通过电连接(48)连接到电流源(50)。在52处的重叠区域是电有源区域，其中施加电流并且可以进行致动。此外，如图19c中示出的，可以在柔性PET基底(没有刚性框架或预拉伸)上制造具有十字结配置的制造的致动器阵列。

此外，在图20a-c中示出了将制造的致动器阵列集成到表带中为可穿戴装置提供触觉反馈。所制造的致动器阵列的示意性布置在图20b中示出。该布置类似于图19b的布置，但是具有四个顶部电极(42)和两个底部电极(44)，并且其中与所选电极进行电连接(48)。

实施例8.使用银纳米线作为电极的透明介电弹性体致动器(DEA)的制造

除了使用碳脂作为电极，银纳米线也用作电极用于制造本发明的DEA。

通常，将浓度为0.5mg/mL的银纳米线(分散在异丙醇中)(平均直径为50nm，以及长度为100-200μm)喷涂到顶表面和底表面上的PUA-PEGDA共聚物膜上。

致动下的装置的照片示出在图21a中，而透明致动器的性能示出在图21b中。与涂覆有碳脂电极的致动器相比，透明装置展示出更大的致动特性(即位移)(图21b对比图13b)。这很可能是由于与碳脂电极相比，喷涂银纳米线电极的重量更轻以及导电性更高，这在跨膜上提供了更有效的电场分布，因此增强了DEA的性能。

从图21a来看，观察到银纳米线电极通常是透明的(具有良好的光学透射率)，这对于将DEA集成到可穿戴装置上可能是有用的，因为电极看起来不那么明显(与碳脂电极相比)。进一步地，这样的透明电极对其他光学技术提供较少的光学干扰，并且可以允许将需要光的其他特征件容易地集成到DEA或可穿戴装置中。随在400-800nm的可见光范围内的波长而变化的具有和不具有银纳米线的PUA-PEGDA共聚物膜的光学透射率在图21c中示出。使用喷涂的银纳米线，所制造的透明DEA展示出62.7％的平均光学透射率(与不具有电极的PUA-PEGDA共聚物膜相比降低约19％)。

实施例9.用具有不同数均分子量(M

为了理解PEGDA的数均分子量(M

实验

根据实施例1中所述的方法合成PUA-PEGDA-15共聚物膜。对于PUA-PEGDA(2000)-15，首先将PUA(CN9021)与15wt％的PEGDA(M

结果与讨论

如图22中示出的，当使用不同M

表4.用具有不同数均分子量(M