張弛1，張博1，孫巖輝1，欽建國(guó)2，朱子才3，唐振華1,4，劉學(xué)婧2
（1.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710064；2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,西安710048；3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安710049；4.重慶大學(xué)航空航天學(xué)院,重慶400044）
摘要：聚氯乙烯(PVC)凝膠是一類(lèi)能夠在電場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生收縮、彎曲、面內(nèi)擴(kuò)張等多種變形模式的高分子聚合物，具有響應(yīng)快、成本低、質(zhì)量輕、力電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的人工肌肉。本文系統(tǒng)綜述了PVC凝膠近些年的發(fā)展現(xiàn)狀，包括材料的組成、性能優(yōu)化、制備工藝、新型構(gòu)型設(shè)計(jì)及應(yīng)用。重點(diǎn)介紹了通過(guò)摻雜功能添加劑來(lái)提升PVC凝膠的力電輸出性能，以及利用3D打印、熱熔成型等新型制備工藝實(shí)現(xiàn)PVC凝膠材料的快速制備。在傳統(tǒng)陽(yáng)極吸附型PVC凝膠致動(dòng)器構(gòu)型基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了基于靜電壓縮和靜電液力耦合驅(qū)動(dòng)兩種原理所設(shè)計(jì)的新型PVC凝膠致動(dòng)器。隨后，系統(tǒng)介紹了PVC凝膠致動(dòng)器在柔性驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療和光學(xué)三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
最后，對(duì)PVC凝膠材料現(xiàn)階段所遇到的技術(shù)瓶頸及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞：聚氯乙烯凝膠；智能材料；柔性驅(qū)動(dòng)；3D打??；光學(xué)
傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備多以剛性硬質(zhì)材料為基礎(chǔ)，具備操作精度高、輸出能量大、重復(fù)工作穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量體積大、能量損耗高及人機(jī)交互安全性不足等固有缺陷。伴隨軟體機(jī)器人及柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展，具備類(lèi)似自然肌肉變形特性的智能材料逐漸成為研究熱點(diǎn)，該類(lèi)材料能夠在外界刺激下，通過(guò)物理或化學(xué)特性的可逆變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、耐沖擊等顯著優(yōu)勢(shì)，在抗震救災(zāi)、深海探測(cè)、醫(yī)療體內(nèi)植入等極端場(chǎng)景中，該類(lèi)材料展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用價(jià)值。
電致動(dòng)聚合物(Electroactivepolymers,EAPs)隸屬于智能材料，通過(guò)外加電壓或電流來(lái)改變自身的物理化學(xué)特性[1]。相較于電場(chǎng)型EAPs(如介電彈性體(Dielectricelastomer,DE))和離子型EAPs(如離子聚合物金屬材料(Ionicpolymermetalcomposite,IPMC))，聚氯乙烯(PVC)凝膠致動(dòng)器憑借其卓越的綜合性能脫穎而出，被認(rèn)為是一種理想的人工肌肉材料。如表1所示，其制備工藝簡(jiǎn)單、模量調(diào)節(jié)范圍廣(0.1～100kPa)、驅(qū)動(dòng)電壓適中(<1kV)、響應(yīng)速率快(<100ms)，且壽命長(zhǎng)(循環(huán)壽命>1000000)[2]。PVC凝膠致動(dòng)器通常采用三明治結(jié)構(gòu)，由作為芯層的PVC凝膠以及兩側(cè)的電極組成。當(dāng)施加電壓時(shí)，由陰極注入的電子會(huì)在陽(yáng)極周?chē)奂纬筛患瘜?，并與極性塑化劑分子重新排布相耦合，促使材料朝向陽(yáng)極吸附，從而使整體結(jié)構(gòu)在厚度方向上減小，如圖1所示。通過(guò)增加堆疊層數(shù)，可以顯著增大驅(qū)動(dòng)位移。這一特性使得PVC凝膠致動(dòng)器在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括醫(yī)療康復(fù)[3]、仿生機(jī)器人[4]以及可調(diào)諧光學(xué)等[5]。
近年來(lái)，PVC凝膠致動(dòng)器以其優(yōu)異的性能受到了科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。眾多學(xué)者圍繞PVC凝膠致動(dòng)器的材料改性、制備工藝、新型構(gòu)型設(shè)計(jì)以及應(yīng)用等方面開(kāi)展了深入研究，并取得了顯著進(jìn)展，然而目前缺乏對(duì)PVC凝膠致動(dòng)器在PVC凝膠原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面的系統(tǒng)性梳理和總結(jié)?；诖?，本文對(duì)近年來(lái)PVC凝膠致動(dòng)器的研究進(jìn)展進(jìn)行全面梳理：首先，簡(jiǎn)要介紹制備PVC凝膠的原材料以及各組分對(duì)PVC凝膠膜性能的影響，重點(diǎn)探討通過(guò)摻雜功能添加劑、PVC樹(shù)脂材料改性和PVC凝膠膜表面處理這三種方式來(lái)提升PVC凝膠致動(dòng)器性能的策略；其次，闡述PVC凝膠的制備工藝，并對(duì)各種制備工藝方法的特點(diǎn)進(jìn)行比較分析；再次，介紹PVC凝膠致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型設(shè)計(jì)，涵蓋陽(yáng)極吸附型、靜電壓縮型和靜電液力耦合型等類(lèi)型；最后，闡述PVC凝膠致動(dòng)器在柔性驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療康復(fù)和可調(diào)諧光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)PVC凝膠致動(dòng)器的研究進(jìn)展及存在問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)與展望。
1 PVC凝膠原材料及改性技術(shù)
PVC凝膠是通過(guò)將高分子PVC樹(shù)脂與塑化劑在特定條件下進(jìn)行物理共混而形成的凝膠態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其材料組成通常包括PVC樹(shù)脂、塑化劑、溶劑以及功能添加劑。
1.1PVC樹(shù)脂
PVC樹(shù)脂是一種具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的半結(jié)晶聚合物。已有研究[8]表明，不同分子量的PVC樹(shù)脂所制備的PVC凝膠性能存在顯著差異。具體而言，PVC凝膠的模量、承載能力以及介電常數(shù)均會(huì)隨著PVC樹(shù)脂分子量的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)[9]。雖然較高的分子量可以使材料具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，但在一定程度上也會(huì)限制材料的變形；而過(guò)低的分子量又難以成膜或者使獲得的PVC凝膠力學(xué)性能較差。因此，在實(shí)際制備過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)需求合理地選擇PVC樹(shù)脂的分子量。
目前，制備PVC凝膠大多使用粉末狀PVC樹(shù)脂，因此需要先將其溶解。Ali等[10]采用塑料溶膠法制備了PVC凝膠致動(dòng)器，這一方法不僅簡(jiǎn)化了制備工藝，還大幅縮短了制備時(shí)間。所制備的PVC凝膠致動(dòng)器具有優(yōu)良的力學(xué)性能。該研究為PVC凝膠的制備提供了新的思路，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)新型制備工藝提供了可能。
1.2塑化劑
塑化劑作為PVC凝膠的關(guān)鍵組成成分，其種類(lèi)和用量對(duì)于制備PVC凝膠的最終性能至關(guān)重要。PVC樹(shù)脂本身是一種硬質(zhì)聚合物，塑化劑能夠插入PVC分子鏈之間，削弱分子鏈間的相互作用力，從而使PVC在室溫下展現(xiàn)出柔軟、橡膠態(tài)的凝膠特性。此外，塑化劑還通過(guò)溶劑化作用促使PVC分子鏈在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生取向和位移，進(jìn)而賦予PVC凝膠電致變形特性。眾多學(xué)者對(duì)已有的多種塑化劑進(jìn)行了深入研究，并初步探究了塑化劑對(duì)PVC凝膠性能的影響規(guī)律[11-13]。例如Uddin等[12]系統(tǒng)研究了鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、己二酸二辛酯(DOA)和偏苯三甲酸三辛酯(TOTM)四種塑化劑對(duì)PVC凝膠的力學(xué)性能(模量和斷裂伸長(zhǎng)率)、力電性能(陽(yáng)極吸附表面積、形變量、響應(yīng)時(shí)間、彎曲角度)以及壽命的影響。Hirai等[13]研究了DOP、DBP、己二酸二乙酯(DEA)和癸二酸二丁酯(DBS)含量對(duì)PVC凝膠的陽(yáng)極吸附、彎曲、收縮變形和吸附力的影響規(guī)律，并從陽(yáng)極電荷積累的角度對(duì)變形特性進(jìn)行了初步解釋。在上述研究中，作者只探究了使用單一塑化劑的情況。然而，單一塑化劑對(duì)PVC凝膠性能的調(diào)控較為有限，表現(xiàn)為某種性能的提升通常伴隨著其他性能的衰減。此外，上述使用的各種類(lèi)型的塑化劑大多具有一定的毒性，盡管成品PVC凝膠中的塑化劑逸出量較少，但是在制備過(guò)程中難免會(huì)造成塑化劑的泄漏，因此使用環(huán)境友好型的塑化劑就成為重中之重。Bae等[5]在制作基于PVC凝膠的變焦透鏡時(shí)，使用了一種可生物降解的塑化劑乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)，避免了傳統(tǒng)塑化劑對(duì)人體健康和環(huán)境的影響。Bae等[14]進(jìn)一步合成了一種新型的環(huán)境友好型塑化劑環(huán)己烷二羧酸酯(CHDC)，并利用該塑化劑設(shè)計(jì)了一種微型透鏡，相較于傳統(tǒng)凝膠，PVC/CHDC凝膠具有響應(yīng)速率快(0.4s)、漏電流小(＜2μA)以及生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)階段對(duì)塑化劑的研究大多以宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為主，缺少相應(yīng)的微觀(guān)層面的解釋。Li等[15]從分子間作用力的角度，采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了4種不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的塑化劑分子，即己二酸二丁酯(DBA)、對(duì)苯二甲酸二辛酯(DOTP)、ATBC和TOTM對(duì)PVC凝膠致動(dòng)器性能的影響。研究結(jié)果表明，塑化劑分子與PVC分子鏈之間的作用力會(huì)影響塑化劑分子的運(yùn)動(dòng)速率，從而對(duì)PVC凝膠致動(dòng)器的變形程度和響應(yīng)速率產(chǎn)生影響。相較于具有芳香環(huán)的塑化劑(DOTP和TOTM)，線(xiàn)形塑化劑(DBA和ATBC)的分子間的作用力更小，從而具有更大的驅(qū)動(dòng)位移及驅(qū)動(dòng)力。該結(jié)果與前述研究的經(jīng)驗(yàn)性結(jié)果基本一致，即PVC/DBA凝膠的性能最佳。該研究為塑化劑的選擇以及致動(dòng)器性能的優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。
1.3溶劑
由于PVC樹(shù)脂在沒(méi)有溶劑的情況下不能被塑化劑溶解，因此在制備PVC凝膠的過(guò)程中，需要引入溶劑。理想的溶劑應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：能夠快速溶解PVC樹(shù)脂并形成均勻混合溶液，在PVC凝膠成膜過(guò)程中快速揮發(fā)，成膜后基本無(wú)殘留，且揮發(fā)過(guò)程對(duì)PVC凝膠成膜的影響較小。Aoki等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了四氫呋喃(THF)是一種理想的PVC溶劑，因此THF成為了現(xiàn)階段使用最廣泛的溶劑。
此外，溶劑的用量會(huì)對(duì)混合液的黏度和流動(dòng)性產(chǎn)生影響，在不同黏度和交聯(lián)溫度下，溶劑的揮發(fā)速率不同，最終會(huì)影響成膜質(zhì)量，如平整度和內(nèi)部孔隙率等。因此，需要精確地控制溶劑的用量和揮發(fā)速率。
1.4PVC凝膠改性
通常利用摻雜改性的工藝來(lái)提高PVC凝膠的性能，將液體或固體小顆粒以功能添加劑的形式添加到PVC/DBA體系中，從而提高PVC凝膠材料的介電常數(shù)或降低其彈性模量，最終獲得驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)異的PVC凝膠致動(dòng)器。Hirai[17]等研究了四種離子液體，包括三己基(十四烷基)膦甲磺酸鹽、三己基(十四烷基)十二烷基苯磺酸磷、三己基(十四烷基)氯化膦和甲磺酸四丁基磷，對(duì)PVC介電凝膠致動(dòng)器的影響。研究表明，離子液體的加入會(huì)對(duì)凝膠的形成過(guò)程、塑化劑的逃逸行為、材料的柔韌性以及老化現(xiàn)象等產(chǎn)生影響。含有Cl-的離子液體與PVC凝膠的相容性最好，且與其他離子添加液相比，含有Cl-的PVC凝膠具有更高的介電常數(shù)、更低的能量損耗以及更好的變形性能。Li等[18]進(jìn)一步系統(tǒng)研究了3種離子液體，包括1-烯丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([AMIM]BF4)、1-烯丙基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽([AEIM]BF4)和1-烯丙基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽([ABIM]BF4)對(duì)PVC凝膠微觀(guān)結(jié)構(gòu)(分子鏈排列、塑化劑分布、界面相互作用)的調(diào)控機(jī)制，揭示了離子液體對(duì)PVC凝膠電致形變性能(驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、響應(yīng)速率、遲滯效應(yīng))的增強(qiáng)作用，闡明了離子液體與PVC/塑化劑體系的多物理場(chǎng)耦合機(jī)制(離子遷移、介電極化、界面滑移)。該研究系統(tǒng)揭示了離子液體在PVC凝膠中的“離子-電子”雙導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建機(jī)制，提出通過(guò)選擇離子液體類(lèi)型(如陰離子尺寸、極性等)調(diào)控材料剛?cè)崽匦缘牟呗?，?duì)于PVC凝膠致動(dòng)器的性能優(yōu)化具有重要的理論價(jià)值。
通過(guò)納米填料直接混合的方法，也可以改善PVC凝膠的性能。Park等[19]將具有高介電常數(shù)的二氧化硅(SiO2)無(wú)機(jī)納米顆粒摻雜到PVC凝膠中，并利用反模澆鑄法獲得了具有表面波紋結(jié)構(gòu)的PVC凝膠，由該凝膠制得的振動(dòng)觸覺(jué)致動(dòng)器具有更好的驅(qū)動(dòng)性能以及更低的功耗。Hwang等[20]通過(guò)在PVC凝膠中添加納米氧化石墨烯(GO)，成功將PVC凝膠的驅(qū)動(dòng)變形增大了20%，同時(shí)其輸出力和輸出功率也分別提高了41%和36%。相較于離子液體，該類(lèi)功能添加劑會(huì)對(duì)PVC凝膠的透光率產(chǎn)生影響。當(dāng)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.1%時(shí)，PVC凝膠會(huì)從透明狀態(tài)變?yōu)楹谏煌该鳡顟B(tài)，這在一定程度上限制了PVC凝膠在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。Huang等[21]嘗試將有機(jī)納米填料氰乙基纖維素(CEC)摻雜到PVC凝膠中，PVC凝膠的介電常數(shù)由7.6提高到18.9，同時(shí)黏彈性顯著降低，所得到的PVC凝膠相較于無(wú)添加的樣品，其驅(qū)動(dòng)性能提高了一倍。
此外，也有一些學(xué)者嘗試使用新型PVC樹(shù)脂或?qū)VC凝膠膜表面進(jìn)行改性處理，以提高PVC凝膠的性能[22,23]。Li等[22]使用氯化聚氯乙烯(CPVC)粉末來(lái)制備PVC凝膠，并研究了CPVC凝膠致動(dòng)器的性能。相較于PVC粉末制備的凝膠(即PVC凝膠)，CPVC凝膠在小載荷下具有更大的驅(qū)動(dòng)變形，而當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，CPVC凝膠的變形會(huì)顯著減小。該類(lèi)致動(dòng)器適用于負(fù)載較小但對(duì)變形需求較大的場(chǎng)景。Zhang等[23]利用氧和氬等離子體對(duì)成品PVC凝膠表面進(jìn)行改性處理，并采用和頻振動(dòng)光譜技術(shù)(SFG)、相干反斯托克斯拉曼光譜法(CARS)和X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)等多種方法對(duì)材料表面進(jìn)行表征。結(jié)果表明，等離子體處理可以有效破壞PVC凝膠表面的C—Cl鍵，同時(shí)在塑化劑和PVC之間形成相互作用力更強(qiáng)的新化學(xué)鍵，從而有效抑制塑化劑(特別是DBA)的逸出，使PVC凝膠具有更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及更小的環(huán)境危害性，然而，該論文并未探討等離子體處理對(duì)PVC凝膠致動(dòng)器變形性能的影響。
2 PVC凝膠制備工藝
根據(jù)PVC凝膠制備過(guò)程所耗時(shí)長(zhǎng)，可以將制備工藝分為溶液澆鑄法和快速成型法兩大類(lèi)，目前使用最多的是溶液澆鑄法，其基本步驟是將制備好的PVC樹(shù)脂、塑化劑、溶劑混合溶液倒入特定模具中進(jìn)行澆鑄，隨后在常溫下蒸發(fā)交聯(lián)，待溶劑完全揮發(fā)后，最終形成成品膜，其制備過(guò)程如圖2(a)所示。為了保證最終獲得的PVC凝膠膜厚度均勻，最簡(jiǎn)單的方法是將混合溶液倒入調(diào)平后的燒杯或者培養(yǎng)皿中固化成膜[20,24]，該方法可以制備厚度在幾百微米至幾毫米的PVC凝膠膜，但是所得成品的厚度均勻性較差。在某些領(lǐng)域，需要制備厚度在幾十甚至幾微米級(jí)別的薄膜，此時(shí)可以采用勻膠機(jī)旋涂法(圖2(b))[23]，該方法制備的薄膜厚度均勻，但是單次加工面積有限，且因成品膜厚度較小、不易轉(zhuǎn)移，對(duì)底板的要求比較高。此外，也有學(xué)者采用中小型的流延機(jī)來(lái)制備PVC凝膠薄膜(圖2(c))[25]。該方法制備的薄膜厚度及均勻性介于旋涂和澆鑄之間，但產(chǎn)量相較于前兩者有了巨大提高。Dong等[26]通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的大型流延機(jī)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了PVC凝膠膜的批量化生產(chǎn)，為PVC凝膠致動(dòng)器的商業(yè)化提供了可能。
為保證PVC凝膠的性能，溶劑的揮發(fā)速率不宜過(guò)快，因此大多采用室溫固化的方式，該過(guò)程通常需要4～7d，時(shí)間成本較高，并且揮發(fā)的溶劑容易刺激皮膚與眼睛，環(huán)保性較差。Ali[10]提出了一種加熱制備PVC凝膠的方法，該方法如圖2(d)所示。首先，將經(jīng)甲醇洗滌的PVC樹(shù)脂與DBA混合，在攪拌1d后形成PVC塑化溶膠。然后，將適量的塑化溶膠放入玻璃培養(yǎng)皿中，并在150℃的電爐中固化30min。最后，冷卻后得到透明柔軟的PVC凝膠。Helps等[27]也使用了加熱增速的方法來(lái)制備PVC凝膠。首先，將PVC顆粒與高閃點(diǎn)的己二酸二異癸酯(DIDA)塑化劑混合形成塑化溶膠，然后在約130℃下緩慢加熱至糊狀物。最后，在約170℃下加熱糊狀物或在180℃下熱壓糊狀物，獲得PVC凝膠。Wu等[28]提出了一種新型的快速熱熔法，可以在10min內(nèi)完成PVC凝膠的制備(圖2(e))，大大提高了PVC凝膠的制備效率。采用該方法制備的PVC凝膠致動(dòng)性能顯著提升，其收縮應(yīng)變達(dá)到20.62%，輸出力為0.43N，恢復(fù)響應(yīng)時(shí)間為1.416s，這些性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)制備方法。上述工藝均摒棄了溶劑的使用，且制備時(shí)間相較于溶液澆鑄法大大縮短，為實(shí)現(xiàn)快速、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易的PVC凝膠致動(dòng)器制備奠定了基礎(chǔ)。
近年來(lái)，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展為制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PVC凝膠提供了可能。Helps等[27]進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)證明了3D打印PVC凝膠的可行性。Luo等[29,30]將直寫(xiě)打印技術(shù)與PVC凝膠制備工藝相結(jié)合，打印了性能優(yōu)異的PVC凝膠致動(dòng)器；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀的碳納米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)電極與PVC凝膠的同步打印，為全柔性PVC凝膠致動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)提供了可能。Wang等[31]提出了一種電可控3D打印PVC凝膠的方法，首次實(shí)現(xiàn)了PVC凝膠的梯度打印和具有表面微結(jié)構(gòu)的PVC凝膠的制備，并成功將其應(yīng)用于軟體仿生水母及智能窗戶(hù)領(lǐng)域(圖4(e)和圖6(g))。相較于溶液澆鑄法，3D打印技術(shù)在制備復(fù)雜構(gòu)型時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其成本較高、效率較低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
3PVC凝膠致動(dòng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)
為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，PVC凝膠致動(dòng)器被設(shè)計(jì)成多種構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)厚度收縮、面內(nèi)擴(kuò)張、彎曲以及其他復(fù)雜的變形。根據(jù)不同的變形機(jī)理，可以將PVC凝膠致動(dòng)器分為陽(yáng)極吸附型、靜電壓縮型和靜電液力耦合型三大類(lèi)。
盡管PVC凝膠的準(zhǔn)確變形機(jī)理尚未完全揭示，但普遍認(rèn)為導(dǎo)致材料陽(yáng)極吸附行為的主要原因是電場(chǎng)作用下注入電子的定向運(yùn)動(dòng)以及極性塑化劑分子的重排布?；诖爽F(xiàn)象，Yamano等[33]提出了一種疊層PVC凝膠致動(dòng)器，其在厚度方向能夠產(chǎn)生較大收縮變形(圖3(a))。該致動(dòng)器單元具有三明治結(jié)構(gòu)，包括中間層的PVC凝膠芯層、作為陽(yáng)極的金屬網(wǎng)電極和作為陰極的金屬箔電極。在電場(chǎng)作用下，金屬網(wǎng)一側(cè)的PVC凝膠發(fā)生陽(yáng)極吸附現(xiàn)象，一部分PVC凝膠填充了金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔空間，將其中的空氣排出。從宏觀(guān)角度看，這使得驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)了厚度方向的收縮。單個(gè)致動(dòng)器的變形較小，往往通過(guò)疊層的方式獲得較大的驅(qū)動(dòng)位移。該實(shí)驗(yàn)獲得了13%的厚度收縮應(yīng)變，1～3Hz的響應(yīng)頻率以及1～2kPa的輸出應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者針對(duì)該類(lèi)致動(dòng)器開(kāi)展了深入研究，使得疊層PVC凝膠構(gòu)型成為目前應(yīng)用最為廣泛的致動(dòng)器類(lèi)型[34,35]。Liu等[34]綜合考慮了金屬網(wǎng)的線(xiàn)徑、目數(shù)和孔隙率，計(jì)算出了最優(yōu)的陽(yáng)極網(wǎng)格尺寸。Li等[35]進(jìn)一步提出了一種基于不銹鋼網(wǎng)的模塊化疊層PVC凝膠致動(dòng)器，該致動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)塑化劑含量并優(yōu)化金屬絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將致動(dòng)器的收縮應(yīng)變提高到20%，響應(yīng)頻率提高到10Hz，同時(shí)性能穩(wěn)定性極好。由于使用金屬電極，該類(lèi)致動(dòng)器的質(zhì)量通常較大，且柔性有限，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的全柔性，多用于尺寸空間較大的場(chǎng)所。
除了上述使用的金屬網(wǎng)電極外，有些學(xué)者還提出了其他的設(shè)計(jì)方案。如Helps等[36]采用反模法在PVC凝膠的一側(cè)加工了多種微型結(jié)構(gòu)。具有V形表面微結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器具有高達(dá)26%的厚度收縮應(yīng)變，高于現(xiàn)有的使用金屬網(wǎng)電極的PVC凝膠致動(dòng)器(圖3(b))。Helps[36]進(jìn)一步嘗試使用柔性電極制備全柔性的PVC凝膠致動(dòng)器，并獲得了約13%的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。Park等[37]使用編織工藝將矩形長(zhǎng)條PVC凝膠制備成編織物并將其置于兩個(gè)平面電極之間。在陽(yáng)極吸附和靜電壓縮的耦合作用下，致動(dòng)器表現(xiàn)出一定的厚度收縮應(yīng)變。Park進(jìn)一步將其應(yīng)用于小型觸覺(jué)反饋裝置，為柔性可穿戴裝置的研發(fā)提供了研究思路。Wang等[31]通過(guò)3D打印技術(shù)制備了具有表面微結(jié)構(gòu)的PVC凝膠，并在其兩側(cè)集成了透明電極（ITO玻璃）。該致動(dòng)器在電場(chǎng)作用下不僅發(fā)生厚度方向的收縮變形，還能實(shí)現(xiàn)從不透明到透明的可逆光學(xué)轉(zhuǎn)變，兼具力學(xué)致動(dòng)與動(dòng)態(tài)光學(xué)調(diào)控功能。本研究為新型智能窗戶(hù)的開(kāi)發(fā)提供了可能。上述兩種致動(dòng)器的特點(diǎn)是陰陽(yáng)極均使用平面型電極，輕量化和柔性相較于使用金屬網(wǎng)電極的致動(dòng)器有所提高。
此外，利用PVC凝膠的陽(yáng)極吸附特性，還可以實(shí)現(xiàn)彎曲變形，從而拓展了致動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域。Hirai等[38]首先研究了PVC凝膠的蠕變效應(yīng)與電場(chǎng)誘導(dǎo)彎曲的耦合機(jī)制，在60s內(nèi)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了80°的彎曲變形。Shin等[9]研究表明，當(dāng)PVC樹(shù)脂與PVC塑化劑質(zhì)量比為1:11時(shí)，致動(dòng)器可在3.15s內(nèi)實(shí)現(xiàn)180°的彎曲變形。Wang等[31]利用3D打印技術(shù)制備了彎曲型PVC致動(dòng)器并將其應(yīng)用于仿生水母領(lǐng)域，證明了該材料在仿生軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的可行性(圖3(c))。最后一類(lèi)陽(yáng)極吸附型致動(dòng)器是編織型PVC致動(dòng)器。Furuse等[39]制備了具有芯鞘型結(jié)構(gòu)的PVC凝膠線(xiàn)條，該線(xiàn)條中心為摻雜有CNT的導(dǎo)電PVC凝膠，外層包裹著PVC凝膠(圖3(d))，接著利用紡織工藝設(shè)計(jì)了編織型PVC致動(dòng)器和紗線(xiàn)型PVC致動(dòng)器，兩者在電場(chǎng)作用下，分別表現(xiàn)出了收縮特性和伸長(zhǎng)特性。該類(lèi)致動(dòng)器與疊層金屬網(wǎng)致動(dòng)器相比，具有更好的結(jié)構(gòu)緊湊性、柔順性和布置的靈活性。
上述各種類(lèi)型的致動(dòng)器都是基于PVC凝膠的陽(yáng)極吸附原理設(shè)計(jì)的。與此同時(shí)，PVC凝膠也是一種性能優(yōu)異的介電材料，當(dāng)其兩側(cè)涂覆有柔性或彈性電極時(shí)，在電場(chǎng)作用下會(huì)表現(xiàn)出一定的面內(nèi)擴(kuò)張變形，類(lèi)似于電場(chǎng)型電致動(dòng)聚合DE的變形特性[6]。Li等[40]通過(guò)在PVC凝膠兩側(cè)涂覆碳膏電極，設(shè)計(jì)了平面形PVC凝膠致動(dòng)器。該致動(dòng)器具有優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能，在120V電壓下，能夠在90ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)21%的面內(nèi)擴(kuò)張應(yīng)變率和0.6MPa的輸出應(yīng)力，該性能已接近生物肌肉，優(yōu)于疊層金屬網(wǎng)PVC凝膠致動(dòng)器。Li等[41,42]進(jìn)一步利用PET纖維對(duì)PVC凝膠進(jìn)行單方向約束，從而實(shí)現(xiàn)了PVC凝膠致動(dòng)器的純剪切變形，在保持驅(qū)動(dòng)應(yīng)力和響應(yīng)時(shí)間不變的情況下，將驅(qū)動(dòng)應(yīng)變提高到了40%(圖3(e))；同時(shí)對(duì)該變形模式進(jìn)行理論建模，為致動(dòng)器性能的優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。Wang等[43]將CNT摻雜到PVC凝膠中，制備了具有良好導(dǎo)電性的PVC/CNT彈性電極，該電極與PVC凝膠之間具有很好的黏接強(qiáng)度，為靜電壓縮型PVC凝膠致動(dòng)器的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
陽(yáng)極吸附型和靜電壓縮型PVC凝膠致動(dòng)器，在電場(chǎng)作用下容易出現(xiàn)電擊穿現(xiàn)象，且擊穿后無(wú)法修復(fù)，使致動(dòng)器失效。Keplinger課題組[44]提出了一種靜電液力耦合的柔性致動(dòng)器(HASEL)，該致動(dòng)器具有響應(yīng)速率快、變形大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、擊穿后能自修復(fù)等特性，在柔性驅(qū)動(dòng)、仿生機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與研究。Kim等[45]在HASEL結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用PVC凝膠取代傳統(tǒng)使用的硅橡膠和雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)等材料，實(shí)現(xiàn)了HASEL致動(dòng)器的低電壓驅(qū)動(dòng)并獲得了更大的驅(qū)動(dòng)力(圖3(f))。相較于使用硅橡膠外殼的HASEL，該致動(dòng)器成功將驅(qū)動(dòng)力由1N(7kV)提升至3.2N(2kV)，同時(shí)探索了其在柔性可調(diào)焦透鏡領(lǐng)域的應(yīng)用。Jang等[46]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有陣列式獨(dú)立電極的PVC/HASEL致動(dòng)器，首次實(shí)現(xiàn)了單一器件在形狀變形與觸覺(jué)反饋之間的無(wú)縫切換，為其在柔性電子、軟體機(jī)器人、智能穿戴交互等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。由于介電液的引入，該類(lèi)致動(dòng)器對(duì)于密封有著嚴(yán)格的要求。由于現(xiàn)階段缺乏有效黏接PVC凝膠的黏合劑，只能選用與塑化劑不發(fā)生反應(yīng)的硬質(zhì)材料作為封裝結(jié)構(gòu)，這一限制不僅使其難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的柔性化，也成為后續(xù)研究中亟待突破的關(guān)鍵問(wèn)題。
4 PVC凝膠致動(dòng)器的應(yīng)用
4.1柔性驅(qū)動(dòng)
目前應(yīng)用較多的是能夠在厚度方向?qū)崿F(xiàn)收縮和舒張的疊層PVC凝膠致動(dòng)器。如Park等[47]設(shè)計(jì)了一種基于波紋狀PVC凝膠的柔性觸覺(jué)致動(dòng)器(圖4(a))，該致動(dòng)器可以在較寬的工作頻率(0～300Hz)范圍內(nèi)輸出高達(dá)0.7G的振動(dòng)加速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該振動(dòng)加速度能夠可靠地激活人體皮膚中的觸覺(jué)感受器，滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備對(duì)觸覺(jué)反饋的基本要求。為提高致動(dòng)器的性能，該團(tuán)隊(duì)[19]將SiO2納米顆粒引入PVC凝膠，證明了SiO2納米顆粒能夠顯著提高致動(dòng)器的靈敏性，且當(dāng)PVC凝膠與SiO2納米顆粒的質(zhì)量比為1:0.1時(shí)，靈敏性最佳。Li等[48]提出一種使用疊層PVC凝膠致動(dòng)器的新型雙指夾持器，由疊層PVC凝膠致動(dòng)器、帶有滑動(dòng)槽的傳動(dòng)軸和夾具三部分組成(圖4(b))。夾持器的最大開(kāi)合角約為20°,所能夾持的最大物體寬度為40mm，有效夾持力可達(dá)4N，可以穩(wěn)定抓取各種形狀和大小不規(guī)則的小物體，如電動(dòng)膠帶、塑料刷、膠水棒、記號(hào)筆等。Xu等[4]針對(duì)現(xiàn)有碳基電極導(dǎo)電率差和金屬電極柔性差的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種高導(dǎo)電率、低剛度的液態(tài)鎵基合金電極，相較于傳統(tǒng)電極該電極具有更大的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。Xu利用該新型電極進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多種仿生裝置，如圖4(c)所示為間歇式蠕動(dòng)機(jī)器人。Dong等[26]設(shè)計(jì)了一種由彈性骨架和疊層PVC凝膠致動(dòng)器組成的對(duì)抗式仿生魚(yú)尾，其結(jié)構(gòu)如圖4(d)所示。仿生魚(yú)尾利用兩側(cè)PVC凝膠致動(dòng)器的交替驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的雙向擺動(dòng)，從而模擬魚(yú)尾的運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人具有6個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的前進(jìn)和游動(dòng)方向的改變，以及超過(guò)12h的續(xù)航。Wang等[31]利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款仿生水母機(jī)器人，該機(jī)器人利用PVC凝膠的彎曲變形成功模擬了水母的水下運(yùn)動(dòng)形態(tài)，相應(yīng)致動(dòng)器可在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)170°的彎曲變形(圖4(e))。上述三部分工作為未來(lái)的水下仿生機(jī)器人帶來(lái)較大的啟發(fā)。Chang等[49]設(shè)計(jì)并改進(jìn)了基于PVC凝膠的HASEL致動(dòng)器，并通過(guò)優(yōu)化介電液、電極和PVC凝膠的配比，實(shí)現(xiàn)了舒適而細(xì)膩的振動(dòng)(圖4(f))，該致動(dòng)器顯著改善了現(xiàn)有HASEL致動(dòng)器存在的功率低、驅(qū)動(dòng)電壓高、耐久性不足等問(wèn)題。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)控制電路和開(kāi)發(fā)振動(dòng)算法，可將其應(yīng)用于車(chē)輛頸枕中，產(chǎn)生與車(chē)載音樂(lè)產(chǎn)生相呼應(yīng)的振動(dòng)。
4.2醫(yī)療康復(fù)
近年來(lái)，隨著人們對(duì)醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的重視，PVC凝膠致動(dòng)器因其優(yōu)異的變形性能、良好的生物兼容性，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。首先，在可穿戴外骨骼助力裝置領(lǐng)域，Li等[3,50,51]做了大量的工作，如圖5(a～c)所示。傳統(tǒng)的外骨骼多采用電機(jī)加機(jī)械傳動(dòng)的方式，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、生物兼容性差等一系列缺點(diǎn)。Li先后設(shè)計(jì)了三種應(yīng)用于大腿的PVC凝膠助力裝置，利用致動(dòng)器的收縮和膨脹變形產(chǎn)生的輸出力來(lái)輔助行走，同時(shí)優(yōu)化了其控制電路與系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、靈活性高、穿戴舒適方便的柔性可穿戴助力裝置。該裝置可有效提高患者的步長(zhǎng)與行走速率。Liu等[52]利用疊層PVC凝膠致動(dòng)器設(shè)計(jì)了手指震顫抑制裝置，該裝置質(zhì)量輕(25g)、響應(yīng)快(＜0.1s)且采用主動(dòng)控制策略(圖5(d))。當(dāng)震顫頻率在3～6Hz(手指震顫最常見(jiàn)的頻率范圍)時(shí)，主動(dòng)吸收系統(tǒng)能夠有效抑制手指震顫達(dá)65%。Tian等[53]提出了一種基于PVC凝膠驅(qū)動(dòng)的新型陣列式電活性人工肌肉致動(dòng)器，并將其應(yīng)用于盲文顯示器(圖5(e))：首先采用鑄造工藝制備了四種不同表面結(jié)構(gòu)的PVC凝膠并測(cè)試致動(dòng)性能，其中圓錐形和截頭圓錐形陣列結(jié)構(gòu)更有利于提升致動(dòng)器的輸出位移；然后使用Lippmann-Young方程分析了PVC凝膠中的電潤(rùn)濕效應(yīng)，以解釋具有不同表面結(jié)構(gòu)接觸角的PVC凝膠的性能差異；最后將6個(gè)具有錐形表面陣列結(jié)構(gòu)的疊層PVC凝膠致動(dòng)器組成盲文顯示器，可以有效顯示從0到9的盲文數(shù)字。以上研究為PVC凝膠致動(dòng)器在未來(lái)醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
4.3光學(xué)領(lǐng)域
PVC凝膠具有透光率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)[54]。目前，基于PVC凝膠的光學(xué)器件主要分為兩大類(lèi)：柔性可調(diào)焦透鏡和可調(diào)節(jié)透明度的智能窗戶(hù)。
變焦透鏡是利用PVC材料本體作為鏡頭。加電情況下，PVC材料靠近電極部分發(fā)生陽(yáng)極吸附變形，從而改變了PVC材料的表面曲率，進(jìn)而改變了入射光的折射角度，最終達(dá)到變焦的效果。在此領(lǐng)域，韓國(guó)的Kim及Bae團(tuán)隊(duì)做了大量的工作[5,14,32,55]。Bae[5]創(chuàng)新性地提出了一種ITO玻璃/PVC凝膠/導(dǎo)電PCB的三明治結(jié)構(gòu)透鏡(圖6(a))，其中ITO玻璃作為透明陰極，PCB板上開(kāi)有直徑為1mm的通孔，通孔側(cè)壁鍍有金屬作為陽(yáng)極。當(dāng)施加一定的預(yù)壓力時(shí)，處于中間芯層的PVC凝膠會(huì)在通孔部分凸起具有一定的曲率，形成透鏡鏡片。加電狀態(tài)下，PVC凝膠因陽(yáng)極吸附作用而附著在通孔側(cè)壁上，從而使通孔部分凸起的PVC凝膠曲率發(fā)生改變，進(jìn)而改變鏡頭的焦距。該透鏡能夠在500V電壓下實(shí)現(xiàn)焦距在5～15mm之間的變化。為提高透鏡的變焦范圍，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了雙PCB通孔電極的構(gòu)型，該透鏡使用兩塊帶有相同直徑通孔電極的PCB板，并將兩塊PCB板置于PVC凝膠兩側(cè)，如圖6(b)所示[32]。當(dāng)輸入電壓為0～400V時(shí)，焦距可以在3～24.5mm之間變化。此外，透鏡的視場(chǎng)角(FOV)變化范圍為121.9°~41.9°。在該雙曲面透鏡的基礎(chǔ)上，Kim團(tuán)隊(duì)[55]成功引入了一種新型的高性能協(xié)同塑化非離子型PVC凝膠(SPNIPGel)[55]。通過(guò)一定的電壓控制策略，該透鏡可呈現(xiàn)出雙凸、平凸、平凹、雙凹四種構(gòu)型，其變焦范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至31.8~−11.3mm(圖6(c))。除此之外，Kim團(tuán)隊(duì)還在PVC凝膠的環(huán)保方面做了一定的工作，通過(guò)合成環(huán)境友好型塑化劑，減少了塑化劑對(duì)人體及環(huán)境的危害[14]。
對(duì)于上述透鏡，其陽(yáng)極和陰極電極位于兩個(gè)不同的裝置上。如圖6(a)所示，透鏡電極分別位于PCB板通孔側(cè)壁和ITO玻璃上，導(dǎo)致該類(lèi)透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工繁瑣。而一種較為簡(jiǎn)單的改進(jìn)方案是將透鏡的陰陽(yáng)電極一次性加工在同一個(gè)平面上?；诖怂枷耄珻heng等[56]提出了如圖6(d)所示的平面型透鏡。該透鏡具有廣闊的變焦范圍，能夠在1000V以?xún)?nèi)實(shí)現(xiàn)焦距從-154.1mm到-21.3mm的變化。為了降低驅(qū)動(dòng)電壓，Xu等[57]在PVC凝膠中摻雜了微量的離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMIM]PF6)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了離子液體含量對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)[BMIM]PF6摻雜量為0.01%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓降低為未摻雜PVC凝膠的1/22，所制備的250μm光圈透鏡在5～7V電壓驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)4.2～2.5mm的焦距變化。
由于PVC凝膠的變形能力有限，基于PVC凝膠本體的鏡頭設(shè)計(jì)通常存在光圈較小(小于1.5mm)的問(wèn)題。考慮到PVC凝膠本身具有良好的致動(dòng)特性(如5.1部分所述)，研究人員嘗試?yán)肞VC凝膠驅(qū)動(dòng)液體鏡頭來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦功能[25,58]。Song等[58]設(shè)計(jì)了一種以PVC凝膠為容器壁、ITO玻璃為容器底的結(jié)構(gòu)，在PVC凝膠腔體內(nèi)注入甘油溶液。加電時(shí)，PVC凝膠發(fā)生變形，改變凝膠腔的容積，從而改變?nèi)芤旱谋砻媲?，?shí)現(xiàn)了光路的調(diào)節(jié)(圖6(e))。該設(shè)計(jì)的光圈直徑可達(dá)7mm，焦距調(diào)節(jié)范圍為−∞至−22.57mm和20.87mm至+∞。Zhang等[25]提出了一種新型的彈性薄膜封裝透明液體的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用環(huán)形疊層PVC凝膠致動(dòng)器擠壓透明液體，并通過(guò)改變光路部分彈性薄膜的曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)，如圖6(f)所示。該透鏡的光圈直徑達(dá)10mm，在0～250V電壓范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)950%的焦距變化率。
PVC凝膠在光學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是可調(diào)節(jié)透明度的智能窗戶(hù)。智能窗戶(hù)是一種能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)透光率的功能器件，在隱私保護(hù)、光線(xiàn)管理和節(jié)能建筑等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。Wang等[31]提出了一種基于PVC凝膠的智能窗戶(hù)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)由表面具有微結(jié)構(gòu)的PVC凝膠層和兩側(cè)的透明導(dǎo)電ITO玻璃組成(圖6(g))。在初始狀態(tài)下，PVC凝膠表面的球形微結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生多重散射，導(dǎo)致器件呈現(xiàn)不透明特性。當(dāng)施加外加電場(chǎng)時(shí)，PVC凝膠在陽(yáng)極吸附作用下發(fā)生形變，微結(jié)構(gòu)逐漸填充相鄰間隙，導(dǎo)致表面趨于平整。這一結(jié)構(gòu)變化顯著降低了光散射效應(yīng)，從而使器件從光學(xué)不透明態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鲬B(tài)。
5結(jié)論
本綜述系統(tǒng)介紹了近年來(lái)PVC凝膠致動(dòng)器在材料(包括原材料組成、改性、制備)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面所取得的顯著研究進(jìn)展。盡管如此，在材料的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，仍然面臨著一系列的挑戰(zhàn)。
（1）PVC凝膠的變形機(jī)理仍有待深入研究。目前，盡管已有諸多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征和數(shù)值模擬等方法對(duì)PVC凝膠的變形行為進(jìn)行了探索，但對(duì)其力-電耦合作用機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)完善的理論描述。這一理論體系的缺失導(dǎo)致材料改性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏有效的理論指導(dǎo)，使得相關(guān)研究存在一定程度的盲目性，難以精準(zhǔn)調(diào)控其性能以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。
（2）摻雜改性。摻雜功能添加劑是目前PVC凝膠改性的主要技術(shù)途徑。然而，現(xiàn)有改性研究多基于試錯(cuò)法和經(jīng)驗(yàn)性探索，存在實(shí)驗(yàn)效率低、改性效果可控性差等問(wèn)題。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，特別是深度學(xué)習(xí)方法的廣泛應(yīng)用，將其引入PVC凝膠的摻雜改性研究，有望實(shí)現(xiàn)材料配方的智能優(yōu)化，顯著提升實(shí)驗(yàn)效率并降低研發(fā)成本。
（3）PVC凝膠致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制研究。PVC凝膠致動(dòng)器在微流體操控、細(xì)胞力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)、微型變焦光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價(jià)值，其輸出位移與驅(qū)動(dòng)力的控制精度直接影響集成設(shè)備的整體性能指標(biāo)。然而，現(xiàn)有研究在致動(dòng)器的精密運(yùn)動(dòng)控制和輸出穩(wěn)定性方面仍存在明顯不足。近期的研究表明PVC凝膠材料具有驅(qū)動(dòng)和傳感的雙重功能特性。因此，開(kāi)發(fā)具有傳感-驅(qū)動(dòng)一體化功能的智能型PVC凝膠致動(dòng)器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，提升輸出精度，更可能為柔性智能器件的創(chuàng)新發(fā)展提供新的技術(shù)路徑。
（4）PVC凝膠的規(guī)?；苽浼夹g(shù)。目前PVC凝膠的制備技術(shù)主要局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，存在制備效率低、批次間性能差異顯著等關(guān)鍵問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了PVC凝膠材料的實(shí)際應(yīng)用推廣。為實(shí)現(xiàn)該材料在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，亟需開(kāi)發(fā)具有良好可重復(fù)性和規(guī)?；a(chǎn)潛力的制備工藝。
總之，作為一種極具潛力的人工肌肉，PVC凝膠致動(dòng)器因其變形大、響應(yīng)速率快、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在柔性驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療康復(fù)、智能光學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)PVC凝膠變形機(jī)理的深入研究，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)PVC凝膠的發(fā)展，有望在智能穿戴、環(huán)保節(jié)能等領(lǐng)域表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] RAHMAN M H, WERTH H, GOLDMAN A, HIDA Y, DIESNER C, LANE L, MENEZES P L. Recent progress on electroactive polymers: Synthesis, properties and applications [J]. Ceramics，2021，4（3）：516-541.
[ 2 ] LI Y, ZHU H, ZHANG Z, ZHU L, ZHANG X, GUO M, HASHIMOTO M. Plasticized polyvinyl chloride: from material properties to flexible applications [J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2024: 103384.
[ 3 ] LI Y, HASHIMOTO M. Design and prototyping of a novel lightweight walking assist wear using PVC gel soft actuators [J]. Sensors and Actuators A: Physical，2016，239：26-44.
[ 4 ] XU M-T, ZHU Y, WEI C, LIU L, ZHU Z, TANG Z H, LI Y Q, FU S Y. Soft Artificial Muscle of Poly (vinyl chloride) Gel with an Imperceptible Liquid metal Electrode [J]. ACS Applied Materials & Interfaces，2024，16（46）：63851-63860.
[ 5 ] BAE J W, YEO M, SHIN E J, PARK W H, LEE J E, NAM B U, KIM S Y. Eco-friendly plasticized poly (vinyl chloride)–acetyl tributyl citrate gels for varifocal lens [J]. RSC Advances，2015，5（115）：94919-94925.
[ 6 ] GUO Y, LIU L, LIU Y, LENG J. Review of dielectric elastomer actuators and their applications in soft robots [J]. Advanced Intelligent Systems，2021，3（10）：2000282.
[ 7 ] BHANDARI B, LEE G Y, AHN S H. A review on IPMC material as actuators and sensors: Fabrications, characteristics and applications [J]. International Journal of pRecision Engineering and Manufacturing，2012，13：141-163.
[ 8 ] LI Y, GUO M, LI Y. Recent advances in plasticized PVC gels for soft actuators and devices: A review [J]. Journal of Materials Chemistry C，2019，7（42）：12991-13009.
[ 9 ] SHIN E J, PARK W H, KIM S Y. Fabrication of a high-performance bending actuator made with a PVC gel [J]. Applied Sciences， 2018，8（8）：1284.
[10] ALI M, UEKI T, HIRAI T, SATO T, SATO T. Dielectric and electromechanical studies of plasticized poly (vinyl chloride) fabricated from plastisol [J]. Polymer International，2013，62（3）：501-506.
[11] ALI M, HIRAI T. Effect of plasticizer on the electric-field-induced adhesion of dielectric PVC gels [J]. Journal of Materials Science， 2012，47：3777-3783.
[12] UDDIN M Z, WATANABE M, SHIRAI H, HIRAI T. Effects of plasticizers on novel electromechanical actuations with different poly (vinyl chloride) gels [J]. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics，2003，41（18）：2119-2127.
[13] HIRAI T, ALI M, OGIWARA T, TSURUMI D, YAMAMOTO K, UEKI T, XIA H, HASHIMOTO M. Characteristic electrical actuation of plasticized poly (vinyl chloride): Various electrical functions in relation with the dielectric plasticizers [J]. Advances in Science and Technology，2013，79：1-6.
[14] YOON J U, OH S J, BAE J W. Environmentally friendly electroactive poly (vinyl chloride) gel-based focus-tunable microlens [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2025，146：431-440.
[15] LI S, HUANG J, XIAO H, LIANG X, WANG M, LI M, JIN G. Experimental investigation and simulations ofthe microstructure and actuation performance of PVC gels with varying plasticizers [J]. Journal of Materials Science，2025，60（12）：5634-5647.
[16] AOKI Y. A preparation method of thermoreversible poly (vinyl chloride) gels [J]. Macromolecules，2001，34（10）：3500-3502.
[17] HIRAI T, XIA H, HIRAI K. The effects of adding ionic liquids to plasticized PVC gel actuators [C]// ZHOU M. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Xi'an: IEEE, 2010: 71-76.
[18] LI B, LIU Z, LIU Y D, LIANG Y. Effect of ionic liquids on structure and electromechanical properties of plasticized polyvinyl chloride (PVC) gels [J]. Polymer，2024，294：126714.
[19] PARK W H, SHIN E J, YUN S, KIM S Y. An enhanced soft vibrotactile actuator based on ePVC gel with silicon dioxide nanoparticles [J]. IEEE Transactions on Haptics，2018，11（1）：22-29.
[20] HWANG T, FRANK Z, NEUBAUER J, KIM K J. High-performance polyvinyl chloride gel artificial muscle actuator with graphene oxide and plasticizer [J]. Scientific Reports，2019，9（1）：9658.
[21] HUANG J, ZHANG X, LIU R, DING Y, GUO D. Polyvinyl chloride-based dielectric elastomer with high permittivity and low viscoelasticity for actuation and sensing [J]. Nature Communications，2023，14（1）：1483.
[22] LI Y, SUN B, FENG X, GUO M, LI Y, HASHIMOTO M. A novel electroactive plasticized polymer actuator based on chlorinated polyvinyl chloride gel [J]. RSC Advances，2021，11（58）：36439-36449.
[23] ZHANG X, ZHANG C, HANKETT J M, CHEN Z. Molecular surface structural changes of plasticized PVC materials after plasma treatment [J]. Langmuir，2013，29（12）：4008-4018.
[24] ALI M, HIRAI T. Characteristics of the creep-induced bending deformation of a PVC gel actuator by an electric field [J]. Journal of Materials Science，2011，46：7681-7688.
[25] ZHANG C, QIN J, GAO Y, CAO L, LIU X, ZHU Z. Soft lenses with large focal length tuning range based on stacked PVC gel actuators [J]. Smart Materials and Structures，2024，33（9）：095002.
[26] DONG C, ZHU Z, LI Z, SHI X, CHENG S, FAN P. Design of fishtail structure based on oscillating mechanisms using PVC gel actuators [J]. Sensors and Actuators A: Physical，2022，341：113588.
[27] HELPS T, TAGHAVI M, ROSSITER J. Thermoplastic electroactive gels for 3D-printable artificial muscles [J]. Smart Materials and Structures，2019，28（8）：085001.
[28] WU Y, YU M, TIAN C, VOKOUN D, HU R, GE H, ZHANG H, STACHIV I. Enhanced performance of electro-responsive PVC gel actuators prepared by advanced rapid thermal melting technique [J]. Sensors and Actuators B: Chemical，2024，401：134945.
[29] 羅斌, 陳花玲, 徐雪杰, 汝杰, 朱子才. 電活性聚合物 PVC 凝膠材料的 3D 直寫(xiě)打印工藝 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（11）：76-82.
[30] LUO B, LU H, ZHONG Y, ZHU K, WANG Y. Carbon nanotube-doped 3D-printed silicone electrode for manufacturing multilayer porous plasticized polyvinyl chloride gel artificial muscles [J]. Gels，2024，10（7）：416.
[31] WANG Z, WANG Y, WANG Z, HE Q, LI C, CAI S. 3D printing of electrically responsive PVC gel actuators [J]. ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13（20）：24164-24172.
[32] CHOI D S, JEONG J, SHIN E J, KIM S Y. Focus-tunable double convex lens based on non-ionic electroactive gel [J]. Optics Express，2017，25（17）：20133-20141.
[33] YAMANO M, OGAWA N, HASHIMOTO M, TAKASAKI M, HIRAI T. A contraction type soft actuator using poly vinyl chloride gel[C]//FUKUDA T. Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Bangkok: IEEE, 2009: 745-750.
[34] LIU C, BUSFIELD J J, ZHANG K. An electric self-sensing and variable-stiffness artificial muscle [J]. Advanced Intelligent Systems， 2023，5（9）：2300131.
[35] LI Y, ZHU L, ZHANG Z, ZHU H, GUO M, LI Z, LI Y, HASHIMOTO M. Modular multilayered PVC gel soft actuators for novel lightweight humanoid facial robot [J]. Sensors and Actuators A: Physical，2024，378：115825.
[36] HELPS T, TAGHAVI M, ROSSITER J. Towards electroactive gel artificial muscle structures [C]//Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) XX SPIE, 2018: 23-30.
[37] PARK W H, SHIN E J, YOO Y, CHOI S, KIM S Y. Soft haptic actuator based on knitted PVC gel fabric [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2019，67（1）：677-685.
[38] HIRAI T, KOBAYASHI S, HIRAI M, YAMAGUCHI M, UDDIN M Z, WATANABE M, SHIRAI H. Bending induced by creeping of plasticized poly (vinyl chloride) gel[C]//Bar-Cohen Y. Proceedings of SPIE 5385, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). San Diego: SPIE, 2004: 433-441.
[39] FURUSE A, HASHIMOTO M. Development of novel textile and yarn actuators using plasticized PVC gel[C]// Bar-Cohen Y. Proceedings of SPIE 10163, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2017. San Diego: SPIE, 2017: 396-402.
[40] LI Y, LI Y, HASHIMOTO M. Low-voltage planar PVC gel actuator with high performances [J]. Sensors and Actuators B: Chemical， 2019，282：482-489.
[41] LI Y, FENG X, ZHU L, ZHANG Z, GUO M, LI Y, HASHIMOTO M. High performance fiber-constrained plasticized PVC gel actuators for soft robotics [J]. Sensors and Actuators B: Chemical，2023，393：134177.
[42] LI Y, FENG X, ZHU L, ZHANG Z, GUO M, LI Z, LI Y, HASHIMOTO M. Modeling of fiber-constrained planar PVC gel actuators [J]. Nanomaterials，2023，13（9）：1483.
[43] WANG Z, DONG Y, ANNAPOORANAN R, LI C, CHAMBERS R, CAI S. PVC gel-based electro-adhesion on extremely rough surfaces [J]. Applied Materials Today，2024，38：102189.
[44] GRAVERT S D, VARINI E, KAZEMIPOUR A, MICHELIS M Y, BUCHNER T, HINCHET R, KATZSCHMANN R K. Low- voltage electrohydraulic actuators for untethered robotics [J]. Science Advances，2024，10（1）：eadi9319.
[45] KIM H, MA J, KIM M, NAM J, KYUNG K U. High -output force electrohydraulic actuator powered by induced interfacial charges [J]. Advanced Intelligent Systems，2021，3（5）：2100006.
[46] JANG S Y, CHO M, KIM H, CHOI M, MUN S, YOUN J H, PARK J, HWANG G, HWANG I, YUN S. Dynamically reconfigurable shape-morphing and tactile display via hydraulically coupled mergeable and splittable PVC gel actuator [J]. Science Advances，2024， 10（39）：eadq2024.
[47] PARK W H, BAE J W, SHIN E J, KIM S Y. Development of a flexible and bendable vibrotactile actuator based on wave-shaped poly (vinyl chloride)/acetyl tributyl citrate gels for wearable electronic devices [J]. Smart Materials and Structures，2016，25（11）：115020.
[48] LI Y, SUN B, CHEN T, HU B, GUO M, LI Y. Design and prototyping of a novel gripper using PVC gel soft actuators [J]. Japanese Journal of Applied Physics，2021，60（8）：087001.
[49] CHANG K J, KYUNG K U, KIM H, HONG S, PARK D C. Development of a new PVC-gel actuator for implementing emotional vibration[R]. WCX SAE World Congress Experience. Detroit: SAE International, 2023: 2023-01-0094.
[50] LI Y, MAEDA Y, HASHIMOTO M. Lightweight, soft variable stiffness gel spats for walking assistance [J]. International Journal of Advanced Robotic Systems，2015，12（12）：175.
[51] LI Y, HASHIMOTO M. PVC gel soft actuator-based wearable assist wear for hip joint support during walking [J]. Smart Materials and Structures，2017，26（12）：125003.
[52] LIU C, ZHANG K. A wearable finger tremor-suppression orthosis using the PVC gel linear actuator [J]. IEEE Robotics and Automation Letters，2024，9（4）：3854-3861.
[53] TIAN C, YU M, WU Y, YIN G, HU R, GE H, TONG X, WANG G, LI H. Dynamic braille display based on surface-structured PVC gel [J]. Smart Materials and Structures，2024，33（3）：035018.
[54] 王延杰, 徐望舒, 趙春, 汝杰, 羅斌, 朱子才. 聚氯乙烯電活性凝膠材料研究進(jìn)展 [J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2020，36（12）：151- 157.
[55] BAE J W, CHOI D S, YUN I H, HAN D H, OH S J, KIM T H, CHO J H, LIN L, KIM S Y. Electrically adaptive and shape- changeable invertible microlens [J]. ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13（8）：10397-10408.
[56] CHENG X, YANG W, CHENG L, YAN H, JIAO Z. Tunable -focus negative poly (vinyl chloride) gel microlens driven by unilateral electrodes [J]. Journal of Applied Polymer Science，2018，135（15）：46136.
[57] XU M, LIU Y, BIAN Z, CHANG X, LU H. Low voltage driven microlens array based on ionic liquid doped polyvinyl chloride gels [J]. Journal of Molecular Liquids，2024，401：124716.
[58] SONG X, ZHANG H, LI D, JIN Q, JIA D, LIU T, WANG C. Liquid lens with large focal length tunability fabricated in a polyvinyl chloride/dibutyl phthalate gel tube [J]. Langmuir，2020，36（6）：1430-1436.
玻纖含量對(duì)長(zhǎng)玻纖...
鈣鈦礦薄膜的均勻...
用于光伏板靜電除...
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
