智能軟致動器通常依靠相變材料、流體驅動或靜電吸引等方式來實現特定的運動從而具有模仿生物系統的能力併兼具較高的效率。其中的介電彈性體致動器（DEAs）通過在兩個電極之間的絕緣彈性體上施加電壓所產生的靜電力作為驅動力。由於相反電荷的吸引力減小了電場方向上的彈性體厚度，從而導致正交方向上的膨脹伸展。這種外部電場可以通過撤去施加在電極上的電壓而快速施加和移除，因此DEAs表現出快速的驅動速率和較大的能量密度，使其在軟機器人、智能醫療器械等領域展現了巨大的應用場景。
目前大多數DEAs是通過例如旋塗、順序機械組裝等平面方法製造，因此驅動時變形在平面內擴展，通過進一步加工這些平面結構可以轉變製造微彎曲致動器、滾動致動器等等。但是，這些裝置經常表現出受損循環和擊穿現象並且可實現形狀受限。相比之下，基於擠出式的墨水直寫（DIW）3D列印方法能夠以幾乎任意的幾何形狀快速設計和製造軟材料而被用來列印DEAs。近期發表在Advanced Functional Materials雜誌上題為3D Printing of Interdigitated Dielectric Elastomer Actuators的文章，來自哈佛大學的David R. Clarke和Jennifer A.Lewis團隊開發優化了具有高列印保持性、合適流變性的導電彈性體油墨和自修復、可調力學性能的增塑介電基質。團隊成員利用3D列印特定形狀的垂直電極，並用自修復介電基質封裝製造出不同類型的3D DEAs器件，其擊穿場強為25V·m-1，驅動應變高達9%。圖1 列印並封裝交叉型DEAs致動器策略
研究人員首先製備了以乙烯基醚基為末端的聚乙二醇乙二醇硫化物（PEG-PES）低聚物，然後將其與二硫醇擴鏈劑和三硫醇交聯劑混合來生產化學交聯彈性體。低分子量低聚物的這種同時擴鏈和交聯的策略將它們在未固化狀態下的流變性與最終固化後的性能分離。未固化粘度由低聚物的分子量決定，而固化彈性模量由交聯之間的分子量決定(圖2a)。最終通過調節雙官能擴鏈劑與三官能交聯劑的比例，PEG-PES彈性體表現出優異的極限拉伸性能、極大斷裂伸長率和低塑性變形。另外，研究人員使用納米炭黑既作為導電填料又作為流變改性劑加入上述PEG-PES低聚物溶液中製得最終的導電油墨進行基礎列印，列印完成後放置於100℃固化幾分鐘。固化的電極具有0.49MPa的EY(圖2d)和良好的循環穩定性，電導率約為6.5 S m-1。圖2 以納米炭黑作為填料的聚乙二醇聚醚碸低聚物電極材料性質及循環拉伸下的模量、電導率對於介電材料的設計，研究人員採用聚氨酯二丙烯酸酯(PUA)低聚物作為基體，其中含有低分子量雙官能交聯劑丁二醇二丙烯酸酯(BDDA)和增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯(DOP圖3a)，並將列印完成的電極材料封裝於介電基質中。DOP不僅降低了電介質基質的未固化粘度使其利於其填充在印刷電極之間，而且降低了固化電介質基質的機械損耗角正切(tan δ)(圖3b)間接影響致動器的頻率響應。另外，DOP還可以在電擊穿後修復電介質基質而具有容錯性。擊穿事件發生後，DOP會從周圍區域擴散，使器件恢復正常工作狀態(圖3c)。圖3 介電彈性體基質的改性設計最後研究人員使用上述製得的電極材料和介電材料，利用DIW直寫列印了交叉垂直電極並封裝介電基質，用光學測量手段測量了面內收縮。理想的DEAs致動器應該具備小的彈性模量和較大的擊穿場強（最大激勵應變(sz)由sz = ε0εr(EEB)2/EY給出，其中EEB是介電基質的擊穿場強。）。並且在列印大尺寸器件時，電極材料列印過程的穩定性尤為重要，任何局部的較薄電介質段缺陷都將降低擊穿場強。對於該方法3D列印的DEAs致動器，隨著電介質段的數量從3個增加到7個甚至15個，擊穿場強保持在≈25V·μm-1，而激勵應變分別從4.1%增加到5.8%到9.1%(圖4d)。與電極材料的被動變形相比，驅動應變的增加是由介電基質主動變形所佔據面積的增大引起。重要的是，這些裝置在2000次循環中表現出一致的驅動(圖4e，f)。並且如果使用多噴嘴的DIW直寫可以以更快的速度列印DEAs致動器件（圖5a，b），這些器件在幾分鐘內以2.5mm s-1的列印速度列印，相當於電極製造速度接近1cm 3min-1。同樣，3D列印的方式使得在平面不同位置列印電極以在不同的方向形成特性的面內電場產生特定變形，例如旋轉致動器（圖5c，d）。
圖4 DIW直寫列印3D垂直交叉電極的DEAs及其驅動性能
圖5 多噴嘴列印互穿電極DEAs及旋轉致動器列印
總的來說，利用3D列印技術允許使用任意設計幾何形狀、高保真的全3D電極來製造特定DEAs致動器，輔助以電極材料和介電基質性能的優化，3D DEAs致動器可能會具有更強的驅動性能而在軟體機器人、生物醫學領域發揮巨大的作用。表一 DEAs可擴展製造方法的比較
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907375
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