谢霆震 王鸿业 李好

【摘 要】自2005年巴基凝胶执行器（BGA）的示范以来，为开发这种电活性变形纳米复合材料的新应用付出了巨大努力。这种三层双形态纳米复合材料可以很容易地制造，在空气中操作，并驱动几个伏特。

【关键词】巴基凝胶;执行器

一、引言

近些年来，人们开始关注能够将电能直接转化为机械工作的软材料，因为它们允许广泛应用，包括机器人、触觉和光学显示器、价值设备、微电系统等[1]，特别是机械聚合物执行器，它可以工作快速和软驱动电压，所以它们可以用作人工肌肉般的执行器的各种生物医学。随着工作环境的需求，人们希望其可以以极低的操作电压在空气中工作，“巴基凝胶”逐渐出现在人们的视野中。巴基凝胶使离子液体和碳纳米管的明胶状混合物。这种混合物已应用于执行器、可伸缩电子设备和能量转换材料。巴基凝胶还应用于开发化学生物传感器。

二、巴基凝胶

在过去二十年中，进行了大量研究，旨在开发能够在空气中以最小功耗运行的电活性聚合物（EAP）。根据定义，EAP 是一种聚合物系统，它对电刺激做出响应，其大小或形状发生了显著变化。然而，寿命短和响应时间慢是主要缺点。这些缺点是通过使用碳纳米管解决的后经过改进试验除了巴基凝胶。巴基凝胶是一种含有单壁碳纳米管的明胶室离子液体，因其能以极低操作电压在空气中工作，使其在执行器等领域得到了广泛的关注。Baughman等人[2] 是第一个报告由于电潜在应用而淹没在水解质溶液中的碳纳米管板材变形的人，由于该驱動是碳纳米管充电和放电导致的双层形成的结果，并且是非法拉达驱动的，因此响应时间问题得到了解决。但是，只有在电解质溶液存在的情况下，才能进行驱动。其中驱动因素归因于电荷喷射引起的共价结合方向的单壁碳纳米管尺寸变化，该方向源于量子官和双层电静电效应。但是，只有在电解质溶液存在的情况下，才能进行驱动后经过Aide课题组[3]改进，创造出了可在空气中发挥机电性能的第一代“Bucky Gel”执行器，后学者根据这一模型改进。

2.降压凝胶执行器

降压凝胶执行器（BGA）使一种三层复合材料，由夹在两层相同电极以及之间电解质层做成。电极层由聚合物质基质中的巴基凝胶组成，电解质层使离子液体和相同聚合物基质的混合物。降压凝胶执行器驱动可以用两种不同的理论来解释：电荷注入和离子转移。根据电荷喷射模型，驱动是电荷喷射引起的碳碳键长度的尺寸变化的结果，其来源于量子和双层静电效应。驱动的另一个原因是电离子在层之间转移。

Takanori Fukushima等人[3]采用了双形态配置应用于执行器，采用聚合物支持的内部离子液体电解质质层，夹杂着巴基凝胶电极层，其首次将降压凝胶应用于软执行器的制造中使该执行器可在低电压下在空气中快速、长寿命地运行。

Ichiroh Takeuchi等人[4]探索了“巴基凝胶”降压凝胶电极和含有七种内部离子液体的凝胶电解质层组成的降压凝胶执行器的机电和电化学特性。该执行器是由相同内部离子液体的电极和电解质层加热而制造的，厚度仅有130-140μm。在不讨论重做峰值的情况下，低频段电压与位移成正比;随着应用电压频率的增加，电流与电压开始显示欧米奇曲线的倾向。阴极和节点的体积变化分别根据以及和阴离子的大小而变化。弯曲运动程度大小主要取决于离子液体所选离子物质大小。

Maurizio Biso等人[5]利用水辅助改性CVD方式生产了超生长碳纳米管（SG-CNTs）与离子液体紧密相连，通过CNT之间建立化学联系来克服滑动效应，改善从纳米到宏观尺度的运动转移，改善了该执行器应用于菌株传输的关键问题。提出了一种新型改善执行器充电能力和应变与频率响应方面的方法，使执行器性能有所提升。

Ken Mukai等人[6]探索了巴基凝胶执行器的点击或形态修复。最终证实由于清晰的粘性反应，可能改变和修复凝胶执行器的形状。由于通过观察到高频段输入信号可诱发散热高达30℃，所以他们使用这种电控温度变化增强形状固定。还研究了几种固定的技术，证明巴基凝胶执行器可以使用复合输入信号进行更改，该信号同时触发机电变化和电流诱导加热。本文还阐述了双载体驱动模型，以解释降压凝胶执行器的机电固定。

三、总结

巴基凝胶执行器（BGA）的显著功能使其成为极好的不同变形应用程序的候选者。巴基凝胶执行器可以驱动只有几伏特，制造过程很简单，它有一个非常快的响应时间。它也可以在空中和不同频率运行。此外，由于弯曲巴基凝胶降压执行器可以诱导少量电流，它具有作为传感器和执行器的相互使用能力，这两种能力可以与保持功能聚合物材料的优势相结合。可构建微型执行器传感器系统和反馈控制系统。同时巴基凝胶降压执行器具有改进的机械强度，有可能应用于具有驱动和传感能力的宏观到微型智能结构。

参考文献：

[1]Bar-Cohen Y. Electroactive polymer（EAP）actuators as artificial muscles：reality，potential，and challenges[M]. SPIE press，2004.

[2]Baughman R H，Cui C，Zakhidov A A，et al. Carbon nanotube actuators[J]. 1999，284（5418）：1340-1344.

[3]Fukushima T，Asaka K，Kosaka A，et al. Fully plastic actuator through layer‐by‐layer casting with ionic‐liquid‐based bucky gel[J]. 2005，44（16）：2410-2413.

[4]Takeuchi I，Asaka K，Kiyohara K，et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids[J]. 2009，54（6）：1762-1768.

[5]Biso M，Ansaldo A，Futaba D N，et al. Cross-linking super-growth carbon nanotubes to boost the performance of bucky gel actuators[J]. 2011，49（7）：2253-2257.

[6]Kruusam?e K，Mukai K，Sugino T，et al. Electroactive shape-fixing of bucky-gel actuators[J]. 2014，20（3）：1108-1116.

项目基金：

大学生创新创业训练计划项目（202110214331）

作者简介：

谢霆震（2000-），男，黑龙江省虎林市人，在读本科生，专业为材料成型及控制工程