一、研究背景

軟致動器為藥物輸送、醫(yī)療手術、主動可變形服裝的設計、人機軟交互、可刷新的盲文顯示提供了機會構建軟致動器的基本組件包括軟材料作為主體的性質(zhì)和用于驅動該軟材料的機構。軟致動器材料應具有柔性、可拉伸性以及可靠、快速、可重復、變形動態(tài)穩(wěn)定等特點。它將輸入刺激轉化為有用的機械輸出。為了構建軟致動器，智能材料和結構，如形狀記憶合金，介電彈性體，離子聚合物-金屬復合材料，纖維，水凝膠，相變，和磁響應材料已經(jīng)被使用。特別是相變材料（PCMs）在受熱觸發(fā)時可以改變其狀態(tài)。它們的機制可以是熱膨脹/收縮（例如，蠟基材料），液態(tài)到固態(tài)轉變（例如，有機硅聚合物彈性體），有序到無序的相變（例如，液晶彈性體），以及從非晶到結晶狀態(tài)的熱轉變（例如，形狀記憶聚合物）。含有可結晶側鏈的相變聚合物已被證明結合了形狀記憶和介電彈性體驅動。這些雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物（bsep）有望用于大應變剛性對剛性驅動；然而，它們的操作需要一個高度可拉伸的焦耳加熱電極（JHE）來管理溫度變化。

碳納米管（CNTs）、碳纖維、石墨烯、MXene、金屬納米材料、液態(tài)金屬和導電聚合物都被報道用于制造可拉伸的JHEs。低壓焦耳加熱需要高導電性。然而，在所有應變下保持低電阻的高度可逆變形能力是困難的碳基納米材料和導電聚合物具有中等導電性，將輸入電壓推至>10 V，從而限制了軟執(zhí)行器的應用范圍。金屬納米材料具有高導電性，但在高應變下失去其導電網(wǎng)絡，并且具有較差的熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性。低厚度液態(tài)金屬電極可用于低功耗處理系統(tǒng)，但其制造復雜，并且隨著時間的推移獲得高穩(wěn)定性是具有挑戰(zhàn)性的。

為了在電極中實現(xiàn)低電阻變化的大變形，一種解決方案是使用可變形的幾何形狀，如褶皺結構，蛇形圖案和kirigami。特別是，絲狀蛇紋石納米膜對低模量的大應變變形表現(xiàn)出可逆的彈性響應另一種替代方案是使用復合納米材料，如石墨烯和銀納米線（AgNWs）或碳納米管和銀納米顆粒。然而，在可拉伸的混合電極系統(tǒng)中，高分辨率的圖案是具有挑戰(zhàn)性的。因此，大多數(shù)報道的可變形JHEs只能彎曲，很少能在應變>100%時保持其抗力。此外，根據(jù)最近的文獻，基于電活性納米材料的最具可拉伸性的JHEs被用作可拉伸/可穿戴加熱裝置。我們之前的研究表明，在BSEP上的蛇形碳納米管電極允許高達188%的應變介紹了一種軟致動觸覺顯示器，其工作電壓為bb0 ~ 30v。同時，水性聚氨酯(WPU)/PEDOT:PSS/rGO雜合物的JHE高達500%應變以上，但穩(wěn)定的焦耳加熱僅達到30%應變。

本研究介紹了一種新的可拉伸JHE，用于低壓加熱和各種應變在恒定電壓下高達100%的高熱穩(wěn)定性。電極采用嵌入在WPU基體中的碳納米管和AgNWs雜化層。介紹了一種新的現(xiàn)場預拉伸（OPS）技術，在致動區(qū)形成起皺電極層。電極進一步形成了蛇形痕跡。層次化JHE直接形成在BSEP膜上，僅對驅動區(qū)域提供焦耳加熱。WPU的嵌入增強了電極層與襯底的結合，并在變形過程中保護了網(wǎng)絡中的傳導通路。該電極在驅動和放松狀態(tài)下均能保持相同的焦耳加熱工作電壓?？勺冃蔚?/span>JHE被用于制造多細胞可刷新盲文（MCRB）。一個全局氣動壓力變形局部焦耳加熱盲文點，以顯示盲文字母。MCBR顯示器可以保持低工作電壓超過20,000個周期。

二、摘要

焦耳加熱電極（JHEs）是熱致動系統(tǒng)所必需的。報道了一種基于銀納米線和碳納米管混合層的高可拉伸、可模式化和低電壓操作JHE。將導電層涂在局部預應變的雙穩(wěn)態(tài)電活性聚合物（BSEP）膜上，形成低電阻為300 Ω/sq的褶皺導電表面，隨后通過激光雕刻形成蛇形痕跡。所得JHE電極的電阻在80 ~ 90%的面積應變下幾乎保持不變。通過在電極上施加7 - 9 V的電壓，BSEP膜的溫度升高到~60℃，遠高于聚合物的相變溫度46℃，從而將其模量降低了103倍。一種基于BSEP膜上JHEs的電子盲文裝置與膜片腔組裝在一起。電極被設計成3 × 2個可單獨尋址的像素。通過焦耳加熱像素和局部膨脹BSEP膜使用氣動壓力，像素變形出平面超過0.5毫米，以顯示盲文字母。在相同的工作電壓下，盲文內(nèi)容可刷新2萬次。

三、結論

利用碳納米管/AgNWs/碳納米管混合層開發(fā)了一種可拉伸、可定圖化、低電壓的JHE。OPS方法在BSEP膜的活性區(qū)域局部產(chǎn)生焦耳加熱器是有效的?；旌蠈拥那Y構和蛇形圖案的結合確保了應變不變的拉伸性。此外，在WPU基體中嵌入CNTs/AgNWs/CNTs電極增強了其與襯底的粘附性，并允許電極的可逆拉伸性。在相同電壓下，焦耳加熱器在驅動和放松狀態(tài)下均表現(xiàn)出一致的性能，可承受超過20,000次驅動循環(huán)。利用單個點的局部焦耳加熱結合全局施加的氣動壓力，演示了1 × 10盲文單元陣列。

圖1.可拉伸 JHE 電極的制造過程示意圖。(中行）上述示意圖的光學圖像和（下行）側視圖。 i) 將 WPU 沉積在安裝在氣室上的 BSEP 膜上。

圖2.盲文顯示系統(tǒng)的設計與結構。a)，基于氣動執(zhí)行器的盲文顯示器的爆炸視圖示意圖，具有1×10單元配置。b)，描繪設備操作機制的橫斷面視圖，具有2像素的描述。i)所有像素處于松弛位置的初始狀態(tài)。ii)通過應用焦耳加熱和空氣壓力來驅動像素。iii)環(huán)境溫度下像素點驅動狀態(tài)的固定。iv)像素返回到松弛狀態(tài)。c)，盲文顯示中使用的BSEP膜的工作機制說明，強調(diào)其通過加熱和冷卻在軟態(tài)和剛性狀態(tài)之間轉換的能力。d,i)單個電池的美國標準尺寸，包括PCB上的黃色銅觸點。像素的尺寸和間距對應于標準的美國盲文。ii)蛇形圖案電極焦耳加熱的FEA結果。