一、研究背景

软致动器为药物输送、医疗手术、主动可变形服装的设计、人机软交互、可刷新的盲文显示提供了机会构建软致动器的基本组件包括软材料作为主体的性质和用于驱动该软材料的机构。软致动器材料应具有柔性、可拉伸性以及可靠、快速、可重复、变形动态稳定等特点。它将输入刺激转化为有用的机械输出。为了构建软致动器，智能材料和结构，如形状记忆合金，介电弹性体，离子聚合物-金属复合材料，纤维，水凝胶，相变，和磁响应材料已经被使用。特别是相变材料（PCMs）在受热触发时可以改变其状态。它们的机制可以是热膨胀/收缩（例如，蜡基材料），液态到固态转变（例如，有机硅聚合物弹性体），有序到无序的相变（例如，液晶弹性体），以及从非晶到结晶状态的热转变（例如，形状记忆聚合物）。含有可结晶侧链的相变聚合物已被证明结合了形状记忆和介电弹性体驱动。这些双稳态电活性聚合物（bsep）有望用于大应变刚性对刚性驱动；然而，它们的操作需要一个高度可拉伸的焦耳加热电极（JHE）来管理温度变化。

碳纳米管（CNTs）、碳纤维、石墨烯、MXene、金属纳米材料、液态金属和导电聚合物都被报道用于制造可拉伸的JHEs。低压焦耳加热需要高导电性。然而，在所有应变下保持低电阻的高度可逆变形能力是困难的碳基纳米材料和导电聚合物具有中等导电性，将输入电压推至>10 V，从而限制了软执行器的应用范围。金属纳米材料具有高导电性，但在高应变下失去其导电网络，并且具有较差的热稳定性和氧化稳定性。低厚度液态金属电极可用于低功耗处理系统，但其制造复杂，并且随着时间的推移获得高稳定性是具有挑战性的。

为了在电极中实现低电阻变化的大变形，一种解决方案是使用可变形的几何形状，如褶皱结构，蛇形图案和kirigami。特别是，丝状蛇纹石纳米膜对低模量的大应变变形表现出可逆的弹性响应另一种替代方案是使用复合纳米材料，如石墨烯和银纳米线（AgNWs）或碳纳米管和银纳米颗粒。然而，在可拉伸的混合电极系统中，高分辨率的图案是具有挑战性的。因此，大多数报道的可变形JHEs只能弯曲，很少能在应变>100%时保持其抗力。此外，根据最近的文献，基于电活性纳米材料的最具可拉伸性的JHEs被用作可拉伸/可穿戴加热装置。我们之前的研究表明，在BSEP上的蛇形碳纳米管电极允许高达188%的应变介绍了一种软致动触觉显示器，其工作电压为bb0 ~ 30v。同时，水性聚氨酯(WPU)/PEDOT:PSS/rGO杂合物的JHE高达500%应变以上，但稳定的焦耳加热仅达到30%应变。

本研究介绍了一种新的可拉伸JHE，用于低压加热和各种应变在恒定电压下高达100%的高热稳定性。电极采用嵌入在WPU基体中的碳纳米管和AgNWs杂化层。介绍了一种新的现场预拉伸（OPS）技术，在致动区形成起皱电极层。电极进一步形成了蛇形痕迹。层次化JHE直接形成在BSEP膜上，仅对驱动区域提供焦耳加热。WPU的嵌入增强了电极层与衬底的结合，并在变形过程中保护了网络中的传导通路。该电极在驱动和放松状态下均能保持相同的焦耳加热工作电压。可变形的JHE被用于制造多细胞可刷新盲文（MCRB）。一个全局气动压力变形局部焦耳加热盲文点，以显示盲文字母。MCBR显示器可以保持低工作电压超过20,000个周期。

二、摘要

焦耳加热电极（JHEs）是热致动系统所必需的。报道了一种基于银纳米线和碳纳米管混合层的高可拉伸、可模式化和低电压操作JHE。将导电层涂在局部预应变的双稳态电活性聚合物（BSEP）膜上，形成低电阻为300 Ω/sq的褶皱导电表面，随后通过激光雕刻形成蛇形痕迹。所得JHE电极的电阻在80 ~ 90%的面积应变下几乎保持不变。通过在电极上施加7 - 9 V的电压，BSEP膜的温度升高到~60℃，远高于聚合物的相变温度46℃，从而将其模量降低了103倍。一种基于BSEP膜上JHEs的电子盲文装置与膜片腔组装在一起。电极被设计成3 × 2个可单独寻址的像素。通过焦耳加热像素和局部膨胀BSEP膜使用气动压力，像素变形出平面超过0.5毫米，以显示盲文字母。在相同的工作电压下，盲文内容可刷新2万次。

三、结论

利用碳纳米管/AgNWs/碳纳米管混合层开发了一种可拉伸、可定图化、低电压的JHE。OPS方法在BSEP膜的活性区域局部产生焦耳加热器是有效的。混合层的屈曲结构和蛇形图案的结合确保了应变不变的拉伸性。此外，在WPU基体中嵌入CNTs/AgNWs/CNTs电极增强了其与衬底的粘附性，并允许电极的可逆拉伸性。在相同电压下，焦耳加热器在驱动和放松状态下均表现出一致的性能，可承受超过20,000次驱动循环。利用单个点的局部焦耳加热结合全局施加的气动压力，演示了1 × 10盲文单元阵列。

图1.可拉伸 JHE 电极的制造过程示意图。(中行）上述示意图的光学图像和（下行）侧视图。 i) 将 WPU 沉积在安装在气室上的 BSEP 膜上。

图2.盲文显示系统的设计与结构。a)，基于气动执行器的盲文显示器的爆炸视图示意图，具有1×10单元配置。b)，描绘设备操作机制的横断面视图，具有2像素的描述。i)所有像素处于松弛位置的初始状态。ii)通过应用焦耳加热和空气压力来驱动像素。iii)环境温度下像素点驱动状态的固定。iv)像素返回到松弛状态。c)，盲文显示中使用的BSEP膜的工作机制说明，强调其通过加热和冷却在软态和刚性状态之间转换的能力。d,i)单个电池的美国标准尺寸，包括PCB上的黄色铜触点。像素的尺寸和间距对应于标准的美国盲文。ii)蛇形图案电极焦耳加热的FEA结果。