介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.020

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 144-152.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.020

• 综述 • 上一篇

介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展

俞红锂(), 刘茜()

上海工程技术大学纺织服装学院，上海 201620

收稿日期:2023-05-06 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 刘茜（1978-），女，副教授，主要研究方向为功能纺织材料，liuqianfangzhi@126.com
E-mail:yuhl97@126.com;liuqianfangzhi@126.com
作者简介:俞红锂(1997-),男,在读硕士研究生，主要研究方向为功能防治材料,yuhl97@126.com

Research progress in dielectric elastomer actuators for soft robots

YU Hongli(), LIU Qian()

School of Textiles and Fashion，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China

Received:2023-05-06 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: LIU Qian E-mail:yuhl97@126.com;liuqianfangzhi@126.com

摘要/Abstract

摘要：

简要介绍了用于介电弹性体驱动器的不同种类材料，总结了国内外介电弹性体驱动器的不同构型研究进展，详细阐述了介电弹性体驱动器在柔性机器人领域中的应用进展。此外，还指出了在实际应用中仍然存在的问题，并展望了未来的研究前景。

关键词: 介电弹性体, 驱动器, 柔性机器人, 介电常数

Abstract:

This paper briefly introduced the basic working principle of dielectric elastomer actuators， summarized the research progress in the different configurations of dielectric elastomer actuators in China and abroad， and elaborated the application progress of dielectric elastomer actuators in the field of soft robots. Finally， the challenges of dielectric elastomer actuators for practical applications were analyzed and their future research prospects were proposed.

Key words: dielectric elastomer, actuator, soft robot, dielectric constant

中图分类号:

TQ325

俞红锂, 刘茜. 介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 144-152.

YU Hongli, LIU Qian. Research progress in dielectric elastomer actuators for soft robots[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 144-152.

图/表 8

图1 DEA驱动原理图

Fig.1 Working principle of DEA

图2 典型DEA结构［8⁃10］

Fig.2 Typical DEA structures［8⁃10］

图3 基于DEA的柔性抓取器［13⁃20］

Fig.3 DEA⁃based flexible grippers［13⁃20］

图4 基于DEA的爬行/行走机器人［21⁃27］

Fig.4 DEA⁃based crawling/walking robots［21⁃27］

图5 基于DEA的跳跃/飞行机器人［28⁃35］

Fig.5 DEA⁃based jumping/flying robots［28⁃35］

图6 基于DEA的水下机器人［36⁃41］

Fig.6 DEA⁃based underwater robots［36⁃41］

图7 基于DEA的仿人机器人［42⁃47］

Fig.7 DEA⁃based humanoid robots［42⁃47］

图8 基于DEA的可穿戴机器人［48⁃53］

Fig.8 DEA⁃based wearable robots［48⁃53］

参考文献 53

1	Carpi F， Bauer S， De Rossi D. Stretching dielectric elastomer performance［J］. Science， 2010， 330（6012）： 1 759⁃1 761.
2	Chen S， Cao Y， Sarparast M， et al. Soft crawling robots： design， actuation， and locomotion［J］. Advanced Materials Technologies， 2020， 5（2）： 1900837.
3	Pelrine R， Kornbluh R， Pei Q， et al. High⁃speed electrically actuated elastomers with strain greater than 100%［J］. Science， 2000， 287（5454）： 836⁃839.
4	Zou J， Gu G. Feedforward control of the rate⁃dependent viscoelastic hysteresis nonlinearity in dielectric elastomer actuators［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2019， 4（3）： 2 340⁃2 347.
5	Perju E， Shova S， Opris D M. Electrically driven artificial muscles using novel polysiloxane elastomers modified with nitroaniline push–pull moieties［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12（20）： 23 432⁃23 442.
6	Bartlett M D， Fassler A， Kazem N， et al. Stretchable， high‐k dielectric elastomers through liquid‐metal inclusions［J］. Advanced Materials， 2016， 28（19）： 3 726⁃3 731.
7	邓亚峰，周洪福，李全来，等.基于介电弹性体的驱动器研究进展［J］.中国塑料，2021，35（11）：161⁃172.
	DENG Y F， ZHOU H F， LI Q L， et al. Research pro⁃gress in actuator based on dielectric elastomer［J］.China Plastics， 2021， 35（11）：161⁃172.
8	Hau S， Rizzello G， Seelecke S. A novel dielectric elastomer membrane actuator concept for high⁃force applications［J］. Extreme Mechanics Letters， 2018， 23（1）： 24⁃28.
9	Wang N， Cui C， Chen B， et al. Design of translational and rotational bistable actuators based on dielectric elastomer［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2019， 11（4）：041 011⁃041 019.
10	Li J， Liu L， Liu Y， et al. Dielectric elastomer spring⁃roll bending actuators： applications in soft robotics and design［J］. Soft Robotics， 2019， 6（1）： 69⁃81.
11	Lai Y C， Deng J， Liu R， et al. Actively perceiving and responsive soft robots enabled by self‐powered， highly extensible， and highly sensitive triboelectric proximity‐and pressure‐sensing skins［J］. Advanced Materials， 2018， 30（28）： 1801114.
12	Mitchell S K， Wang X， Acome E， et al. An easy⁃to⁃implement toolkit to create versatile and high‐performance HASEL actuators for untethered soft robots［J］. Advanced Science， 2019， 6（14）： 1900178.
13	Kofod G， Wirges W， Paajanen M， et al. Energy minimization for self⁃organized structure formation and actuation［J］. Applied Physics Letters， 2007， 90（8）： 081916.
14	Araromi O A， Gavrilovich I， Shintake J， et al. Rollable multisegment dielectric elastomer minimum energy structures for a deployable microsatellite gripper［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2014， 20（1）： 438⁃446.
15	Lau G K， Heng K R， Ahmed A S， et al. Dielectric elastomer fingers for versatile grasping and nimble pinching［J］. Applied Physics Letters， 2017， 110（18）： 182906.
16	Shian S， Bertoldi K， Clarke D R. Dielectric elastomer based “grippers” for soft robotics［J］. Advanced Materials， 2015， 27（43）： 6 814⁃6 819.
17	Shintake J， Schubert B， Rosset S， et al. Variable stiffness actuator for soft robotics using dielectric elastomer and low⁃melting⁃point alloy［C］//2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS）. Germany： IEEE， 2015： 1 097⁃1 102.
18	Aksoy B， Shea H. Reconfigurable and latchable shape‐morphing dielectric elastomers based on local stiffness modulation［J］. Advanced Functional Materials， 2020， 30（27）： 2001597.
19	Zhang M， Li G， Yang X， et al. Artificial muscle driven soft hydraulic robot： electromechanical actuation and simplified modeling［J］. Smart Materials and Structures， 2018， 27（9）： 095016.
20	Cao C， Gao X， Conn A T. A magnetically coupled dielectric elastomer pump for soft robotics［J］. Advanced Materials Technologies， 2019， 4（8）： 1900128.
21	Pei Q， Rosenthal M， Stanford S， et al. Multiple⁃degrees⁃of⁃freedom electroelastomer roll actuators［J］. Smart Materials and Structures， 2004， 13（5）： N86.
22	Nguyen C T， Phung H， Nguyen T D， et al. Multiple⁃degrees⁃of⁃freedom dielectric elastomer actuators for soft printable hexapod robot［J］. Sensors and Actuators A： Physical， 2017， 267（1）： 505⁃516.
23	Shian S， Bertoldi K， Clarke D R. Use of aligned fibers to enhance the performance of dielectric elastomer inchworm robots［C］//Electroactive Polymer Actuators and Devices （EAPAD） 2015. San Diego： SPIE， 2015， 9430： 417⁃425.
24	Li T， Zou Z， Mao G， et al. Agile and resilient insect⁃scale robot［J］. Soft Robotics， 2019， 6（1）： 133⁃141.
25	Hu T， Lu X， Liu J. Inchworm‐like soft robot with multimodal locomotion using an acrylic stick⁃constrained dielectric elastomer actuator［J］. Advanced Intelligent Systems， 2023， 5（2）： 2200209.
26	Guo Y， Guo J， Liu L， et al. Bioinspired multimodal soft robot driven by a single dielectric elastomer actuator and two flexible electroadhesive feet［J］. Extreme Mechanics Letters， 2022， 53（1）： 101720.
27	Gu G， Zou J， Zhao R， et al. Soft wall⁃climbing robots［J］. Science Robotics， 2018， 3（25）： eaat2874.
28	Pei Q， Pelrine R， Rosenthal M A， et al. Recent progress on electroelastomer artificial muscles and their application for biomimetic robots［J］. Smart Structures and Materials 2004： Electroactive Polymer Actuators and Devices （EAPAD）， 2004， 5385（1）： 41⁃50.
29	Dubowsky S， Kesner S， Plante J S， et al. Hopping mobility concept for search and rescue robots［J］. Industrial Robot： An International Journal， 2008， 35（3）： 238⁃245.
30	Duduta M， Berlinger F C J， Nagpal R， et al. Electrically⁃latched compliant jumping mechanism based on a dielectric elastomer actuator［J］. Smart Materials and Structures， 2019， 28（9）： 09LT01.
31	Luo B， Li B， Yu Y， et al. A jumping robot driven by a dielectric elastomer actuator［J］. Applied Sciences， 2020， 10（7）： 2 241.
32	Jordi C， Michel S， Fink E. Fish⁃like propulsion of an airship with planar membrane dielectric elastomer actuators［J］. Bioinspiration & Biomimetics， 2010， 5（2）： 026007.
33	Zhao J， Niu J， Mc Coul D， et al. A rotary joint for a flapping wing actuated by dielectric elastomers： design and experiment［J］. Meccanica， 2015， 50（11）： 2 815⁃2 824.
34	Chen Y， Zhao H， Mao J， et al. Controlled flight of a microrobot powered by soft artificial muscles［J］. Nature， 2019， 575（7782）： 324⁃329.
35	Chen Y F， Xu S， Ren Z， et al. Collision resilient insect⁃scale soft⁃actuated aerial robots with high agility［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2021， 37（5）： 1 752⁃1 764.
36	Godaba H， Li J， Wang Y， et al. A soft jellyfish robot driven by a dielectric elastomer actuator［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2016， 1（2）： 624⁃631.
37	Shintake J， Shea H， Floreano D. Biomimetic underwater robots based on dielectric elastomer actuators［C］//2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS）. Korea： IEEE， 2016： 4 957⁃4 962.
38	Jiao Z W， Wang H Y， Luo B， et al. A BCF bionic robot fish driven by a dielectric elastomer actuator［C］//Journal of Physics： Conference Series. Singapore： IOP Publishing， 2022， 2331（1）： 012010.
39	Tang Y， Qin L， Li X， et al. A frog⁃inspired swimming robot based on dielectric elastomer actuators［C］//2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS）. Canada： IEEE， 2017： 2 403⁃2 408.
40	Li G， Chen X， Zhou F， et al. Self⁃powered soft robot in the Mariana Trench［J］. Nature， 2021， 591（7848）： 66⁃71.
41	Picardi G， Chellapurath M， Iacoponi S， et al. Bioinspired underwater legged robot for seabed exploration with low environmental disturbance［J］. Science Robotics， 2020， 5（42）： eaaz1012.
42	Kovacs G， Lochmatter P， Wissler M. An arm wrestling robot driven by dielectric elastomer actuators［J］. Smart Materials and Structures， 2007， 16（2）： S306.
43	Lu T， Shi Z， Shi Q， et al. Bioinspired bicipital muscle with fiber⁃constrained dielectric elastomer actuator［J］. Extreme Mechanics Letters， 2016， 6（1）： 75⁃81.
44	Duduta M， Hajiesmaili E， Zhao H， et al. Realizing the potential of dielectric elastomer artificial muscles［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2019， 116（7）： 2 476⁃2 481.
45	Carpi F， De Rossi D. Bioinspired actuation of the eyeballs of an android robotic face： concept and preliminary investigations［J］. Bioinspiration & biomimetics， 2007， 2（2）： S50.
46	Wang Y， Zhu J. Artificial muscles for jaw movements［J］. Extreme Mechanics Letters， 2016， 6（1）： 88⁃95.
47	Li L， Godaba H， Ren H， et al. Bioinspired soft actuators for eyeball motions in humanoid robots［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 24（1）： 100⁃108.
48	Lee H S， Phung H， Lee D H， et al. Design analysis and fabrication of arrayed tactile display based on dielectric elastomer actuator［J］. Sensors and Actuators A： Physical， 2014， 205（1）： 191⁃198.
49	Marette A， Poulin A， Besse N， et al. Flexible zinc–tin oxide thin film transistors operating at 1kv for integrated switching of dielectric elastomer actuators arrays［J］. Advanced Materials， 2017， 29（30）： 1700880.
50	Mun S， Yun S， Nam S， et al. Electro⁃active polymer based soft tactile interface for wearable devices［J］. IEEE Transactions on Haptics， 2018， 11（1）： 15⁃21.
51	Yun S， Park S， Park B， et al. A soft and transparent visuo⁃haptic interface pursuing wearable devices［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2019， 67（1）： 717⁃724.
52	Ji X， Liu X， Cacucciolo V， et al. Untethered feel‐through haptics using 18‐µm thick dielectric elastomer actuators［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（39）： 2006639.
53	Zhao H， Hussain A M， Israr A， et al. A wearable soft haptic communicator based on dielectric elastomer actuators［J］. Soft Robotics， 2020， 7（4）： 451⁃461.

[1]	俞红锂刘茜. 介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展[J]. , 2023, 37(10): 144-152.
[2]	张梦欣, 刘让同, 李亮, 李淑静, 刘淑萍. 聚氨酯掺杂铜粉涂层的电磁特征及其涂层织物的吸波性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 46-52.
[3]	邓亚峰, 周洪福, 李全来, 李建. 基于介电弹性体的驱动器研究进展[J]. 中国塑料, 2021, 35(11): 161-172.
[4]	辛长征王琳艳王静吴金鸽田晓靖. 聚丙烯/铜金粉复合材料的制备及其性能分析[J]. 中国塑料, 2019, 33(8): 6-11.
[5]	任小龙, 汪英, 冯俊杰. 低介电常数聚酰亚胺薄膜研究进展[J]. 中国塑料, 2015, 29(08): 17-24 .
[6]	周文英于德梅. 混杂铝粒子对环氧树脂导热性能与介电性能的影响[J]. 中国塑料, 2011, 25(01): 65-70 .
[7]	周文英左晶任文娥. 高介电常数高分子复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2010, 24(02): 6-10 .

介电弹性体驱动器在柔性机器人中的研究进展

Research progress in dielectric elastomer actuators for soft robots

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 53

相关文章 7

编辑推荐

Metrics

本文评价