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Soft Science首篇文章 | 介电弹性体驱动器中存在孤立频率响应

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2021-06-02

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文章题目：介电弹性体驱动器中存在孤立频率响应

第一作者：曹崇景

通讯作者：高兴

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院

DOI：http://dx.doi.org/10.20517/ss.2021.01

全文链接：

https://softscijournal.com/article/view/4052

背景

介电弹性体驱动器（Dielectric Elastomer Actuator, DEA）是一种新兴的软体驱动器，具有大电致变形，高能量密度和固有顺应性等优越特征，在新型仿生机器人的开发上有着良好的前景。基于其固有弹性，当加载与DEA系统固有频率相匹配的周期性电压激励时，DEA可实现谐振驱动，从而使振幅最大化。有机硅弹性体因其降低的粘滞阻尼而被广泛用于共振驱动应用，因此与VHB弹性体相比具有更好的动态性能。但是，有机硅弹性体采用的低预拉伸比可能会在高振幅振荡中引起薄膜的张力损失，并且它对DEA动态响应的影响尚不完全清楚。

研究内容

通过使用数值动力学模型，本文研究了张力损失对拮抗纯剪切DEA频率响应的影响。在参量强制DEA系统中首次发现了与主响应分支隔离的次谐波频率响应曲线，这会导致振荡幅度突然跳跃，并严重威胁DEA系统的动态稳定性和可控制性。通过使用全局分析方法，还研究了孤立响应曲线对激励分量和系统物理参数的演变。在参量强制DEA系统中首次发现了与主响应分支隔离的次谐波频率响应曲线，这会导致振荡幅度突然跳跃，并严重威胁DEA系统的动态稳定性和可控制性。采用全局分析方法，数值研究了隔振响应曲线随激励分量和系统物理参数的变化规律。

图文分析

图1：（a）拮抗纯剪切DEA原理图及其驱动原理；（b）大变形引起的膜张力损失（λ ＜1）；（c）膜I、质量M、膜II的力平衡分析。

图2：当ADR = 0.6时，ω_e = 1.2， ω_e = 1.8， ω_e= 3.7处的频响、

时程和相程。

图3：当ADR = 1.0时，三个稳定周期解在ω_e= 3.6处的频响、时程和

相位路径。

图4：当（a） ADR = 0.6， ω_e = 3.7，（b） ADR = 1.0， ω_e = 3.6时，

参数强制DEA系统的吸引盆地。黑色、

白色和红色区域分别代表具有1:1谐波、

1:2次谐波和1:3次谐波响应的稳定周期解。

结论

本文研究了具有低预拉伸比的拮抗纯剪切DEA的非线性动力学行为。在高振幅振荡下，这种构造会导致DE膜的张力损失，从而引起力-位移函数的不连续性。通过模拟初始条件的影响，揭示了孤立的次谐波谐振响应；这些行为不能用传统的延拓方法（例如频率扫频或步长）来捕获。这项工作的主要贡献是：1. 首次报告了DEA系统的孤立次谐波响应曲线; 2. 开发一种综合的DEA系统中孤立点分析方法，包括全局分析和机电耦合的DEA动力学模型; 3. 论证了系统和强迫参数之间的相关性和孤立面演化。

关于期刊

Soft Science（https://softscijournal.com）是一本金色开放获取，严格同行评议的国际学术期刊。它专注于机械软性、可变形、可展开的材料、设备、系统领域，目标是成为该领域具有高影响力的旗舰期刊。Soft Science 由OAE 出版公司主导创办，由美国休斯顿大学任志锋教授担任创刊主编，美国休斯顿大学余存江教授、中国南方科技大学郭传飞教授担任期刊编辑。期刊于2021年3月26日正式上线，诚挚欢迎国际学术界具有高影响力的相关创新型研究工作来稿！