可印刷式液态金属触发型弹性膜电致执行器

在高弹性膜的正反面上印刷液态金属，可制成液态金属电容器，若在其上加上适度电压，便可出现形变，此过程就是液态金属电容器电致应变过程，据此可建立对应的液态金属直接印制执行器的方法［23］，相应技术可用于发展诸如柔性响应机构甚至是人工肌肉等。

图12.16　液态金属电容传感器的应用［20］

a.手腕转动时传感器电容发生变化及手腕转动角度的定义；b.CAV444电路（CW=220 pF）测量电压与手腕角度的线性相关；c.手指弯曲时电容变化；d.CAV444电路测量电压（CW=100 pF）与指节角度的线性相关；e.压力试验示意；f.负载与电容变化之间存在良好的线性关系。

这里的介电弹性体驱动单元，是由介电弹性体膜型材料与均匀覆盖其上下表面导电性良好的柔顺电极共同构成的（图12.17）。在此过程中，高弹性膜相当于介电弹性体膜型材料，涂覆其上的液态金属为柔顺电极，因此该液态金属电容器便构成了介电弹性体驱动单元。

图12.17　不同介电弹性执行器工作情形［23］

a.介电弹性执行器操作原理；b.理想的介电弹性执行器，此时受压时电极不对平面膨胀造成限制；c.固态电极会不可避免限制执行器；d.高应变下固态电极会发生破裂继而丧失导电性。(www.xing528.com)

图12.18　液态金属柔性电极驱动的介电弹性膜变形效应［23］

a.3.5 kV直流电压加载前介电弹性体上的液态金属电极；b.3.5 kV直流电压加载后的电极，响应应变达到360%；c.不同电压下液态金属电极与银浆电极驱动的介电弹性膜变形响应情形。

在液态金属上下两面上加高压电后，会产生一个直流电场，使柔性膜沿电场线方向引起收缩，并在与电力线垂直正交的平面内扩展延伸，使该柔性膜发生形变，从而呈现一种电致伸缩特性。笔者实验室Liu等［23］发现，液态金属电容器在静电压力的作用下，能产生360%的形变量（图12.18），被视为制造介电弹性体驱动器最有潜力的材料。另一个极为重要的特性是液态金属柔性电极驱动的介电弹性膜变形可实现自修复（图12.19）。这种直接印刷液态金属电容器制成的介电弹性体驱动器可应用于小型侦察机器人、人工肌肉、假肢、智能服装、智能包装等领域。但其高驱动电压会限制该驱动器的发展和应用，因此研制多层低电压驱动器以降低驱动电压增大形变量迫在眉睫。

图12.19　液态金属柔性电极驱动的介电弹性膜自修复特性［23］

a.电极被分离成相互隔开的（1）、（2）两区域，其中（1）连接电压；b.启动响应时，（1）区域可在3.5 kV作用下充分响应，自修复发生于重合区，此时（2）区域部分响应；c.从第二个循环开始，两区域接通并充分响应；d.边界上的液态金属流动和吸引力促成自修复效应。