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  被譽(yù)為人工肌肉的介電彈性體致動器(DEA)，具有驅(qū)動應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在軟體機(jī)器人和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，構(gòu)筑DEA的介電彈性體薄膜和柔順電極容易遭受到外界機(jī)械損傷和電損傷，嚴(yán)重縮短其使用壽命。此外，DEA所需高達(dá)千伏的驅(qū)動電壓對人體和設(shè)備均存在危險(xiǎn)因素。制備一種安全穩(wěn)定的整體自修復(fù)DEA，即介電彈性體薄膜和柔順電極均具有自修復(fù)功能，是推動其實(shí)際替代天然肌肉的關(guān)鍵。

  北京化工大學(xué)楊丹教授團(tuán)隊(duì)首先將可逆亞胺鍵和二硫鍵引入聚二甲基硅氧烷分子鏈中，制備出自修復(fù)介電彈性體(SDE)。然后，通過π-π相互作用將少量芘甲醛修飾的碳納米管原位分散到SDE基體中，制備出自修復(fù)柔順電極(SCE)。將SCE覆蓋在SDE兩側(cè)，并放置于60 ^oC烘箱中，SDE分子鏈有效擴(kuò)散在介電膜和柔順電極之間的界面處，構(gòu)筑出具有強(qiáng)界面結(jié)合力的ISDEA(圖1、圖2、圖3)。在直流電源驅(qū)動下，ISDEA的電驅(qū)動應(yīng)變達(dá)到18.13%。當(dāng)遭受機(jī)械損傷和電損傷后，其驅(qū)動應(yīng)變?nèi)匀豢梢曰謴?fù)至這一數(shù)值的90%以上(圖4)。為了提高ISDEA使用的安全性，采用摩擦納米發(fā)電機(jī)作為電源直接驅(qū)動ISDEA，構(gòu)筑出自供電ISDEA體系(TENG-ISDEA)。當(dāng)遭受機(jī)械損傷后，TENG-ISDEA在 25.25 kV/mm下的驅(qū)動應(yīng)變?nèi)钥蛇_(dá)到16.99%。更為重要的是，TENG的低輸出電流對于人體足夠安全，并且保證ISDEA免受電損傷。

  進(jìn)一步，將TENG-ISDEA與彈簧進(jìn)行集成，構(gòu)筑出自供電手指康復(fù)訓(xùn)練儀(圖5)，其能實(shí)現(xiàn)了6.1°的彎曲角度。值得一提的是，SDE與SCE間的強(qiáng)界面結(jié)合力(4.12 N)使得手指康復(fù)訓(xùn)練器在4000次循環(huán)驅(qū)動過程中仍然能保持穩(wěn)定的驅(qū)動應(yīng)變，確保了脊髓性肌萎縮癥(SMA)患者的長期安全治療。此外，ISDEA可以用作實(shí)時(shí)監(jiān)測SMA患者肌肉康復(fù)狀態(tài)的柔性電容傳感器(圖6)。并且，基于多個ISDEA電容傳感器的陣列式智能軟鍵盤，可以供患者向醫(yī)生實(shí)時(shí)發(fā)送需求或情緒，例如“HELP”和“PAIN”等。具有強(qiáng)界面結(jié)合力的ISDEA能夠在無需拆卸或更換配置等條件下，高效修復(fù)損傷區(qū)域并恢復(fù)功能，展示了其替代天然肌肉的巨大潛力，并在SMA患者的康復(fù)訓(xùn)練和預(yù)防治療領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖1.基于TENG-ISDEA自供電手指康復(fù)訓(xùn)練儀和柔性電容傳感器的醫(yī)療輔助系統(tǒng)。

圖2. SDE的制備與性能表征。

圖3. SCE的制備與性能表征。

圖4. ISDEA的驅(qū)動性能表征。

圖5. 自供電手指康復(fù)訓(xùn)練儀及訓(xùn)練警報(bào)系統(tǒng)的性能表征。

圖6. 基于ISDEA柔性電容傳感器的構(gòu)筑及應(yīng)用。

  相關(guān)工作以“Self-powered and integral self-healing dielectric elastomer actuator with a robust interface”為題發(fā)表在Nano Energy (10.1016/j.nanoen.2025.110974)上。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生岳尚志，通訊作者為北京化工大學(xué)楊丹教授、于中振教授及北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士。該論文得到了國家自然科學(xué)基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110974