电活性双稳态结构的多模式驱动变形机理及调控方法研究

Dielectric elastomer materials have become a focus and hotspot of soft material in the current. It is a difficult problem to develop a dielectric elastomer actuation structure with fast response, low energy consumption, variable configuration, and long lifetime. The electroactive bistable structure designed by the combination of snap-through and the dielectric elastomer is an effective way to solve it. In this project, taking the minimum energy bistable structure as the object of study. On the viewpoint of energy, the critical condition of snap-through is proposed in bi-stable structure. Combined with experimental analysis, the influence of design parameters, material properties and loading conditions on the critical conditions of snap-through is investigated. The internal mechanism of multi-mode driving is revealed, then the transition law and electromechanical behavior of the bi-stable structure is obtained. The mathematical model and the influence law of bi-stable structure are gained, and the control method is also obtained. This project can enrich the theory of electromechanical of a dielectric elastomer, provide theoretical guidance and practical experience for the design and application of dielectric elastomer bi-stable structure and afford a wide field of vision and new ideas in a field of soft robotics, with important academic and engineering significance.

介电弹性体材料是当前软物质学科研究的重点与热点，开发具有快响应、低耗能、变构型以及长寿命特点的介电弹性体驱动结构是一项难点问题，将跳跃变形与介电弹性体结合而设计的电活性双稳态结构是解决上述难点问题的一项有效途径。本项目以最小能量双稳态结构为研究对象，从系统总能量的角度出发，提出双稳态结构产生跳跃驱动的临界条件，并结合实验分析查清了设计参数、材料属性以及加载工况对跳跃变形临界条件的影响规律；揭示双稳态结构产生多模式驱动的内在机理，获得双稳态结构多模式转换规律以其单稳态驱动的力电耦合行为；提出双稳态结构驱动行程与驱动加载时间的数学模型及其影响规律，并获得双稳态结构驱动性能的调控方法。本项目可丰富介电弹性体材料力电耦合变形理论，为介电弹性体双稳态结构的设计与应用提供理论指导与实践经验，对介电弹性体材料在软体机器人领域的研究提供宽视野与新思路，具有重要的学术价值和工程意义。

介电弹性体因具有变形大、响应快、能量密度高等优点而成为当前软物质力学与软体机器人学科研究的热点与重点；而开发具有高性能、低能耗、长寿命、变构形的介电弹性体驱动结构一直是一项具有挑战性的研究。本项目以开发具有双稳态驱动特性的介电弹性体驱动结构为目标，从仿真模拟、理论建模以及实验测试三方面入手开展了相关研究。. 首先，基于热力学与连续介质力学框架，开发了能够有效模拟介电弹性体力电耦合行为的各向异性超弹性子程序（UANISOHYPER_INV）。通过实验与理论模型验证了子程序的有效性与正确性，并采用该程序分析了互连通球形介电弹性体产生双稳态驱动变形的规律与跳转路径。其次，结合介电弹性体的纯剪切变形特点与最小能量结构设计原理，提出了一种纯剪切介电弹性体最小能量结构（简称PS-DEMES）。通过分析柔性框架与驱动单元之间的受力建立了描述PS-DEMES驱动结构性能的数学模型，分析研究了关键设计参数、激励参数对驱动器静态与动态响应的影响规律，并通过实验进行了对照分析。为了近一步探究PS-DEMES驱动结构的性能，将其与单向车轮结构组装，设计并实现了一种仿尺蠖软体机器人。通过研究驱动信号对机器人运动性能的影响规律发现：在负载3.8倍自重下机器人仍旧能够实现15mm/s的运动速度；当调控驱动电压的偏置分量时，机器人可通过变构形来适应狭窄的作业环境；并通过摩擦纳米发电技术实现了机器人的线性驱控一体化设计。最后，以PS-DEMES结构开发了具有多模式驱动的电活性双稳态驱动器，从系统能量角度出发建立了表征PS-DEMES双稳态驱动设计与驱动性能的理论模型，并获得了临界触发电压与双稳态驱动性能评估因子的数学模型，研究分析了设计参数对驱动模式、触发电压、驱动性能的影响规律；通过在柔性框架设置刚度调节气囊实验分析了PS-DEMES双稳态结构的多模式驱动转化机理与方法。. 本项目的研究不仅为介电弹性体双稳态驱动器的设计与应用提供了新的理论方法与实践经验，而且为电活性双稳态多模式驱控与集成化设计提供了宽视野与新思路。