柔性智能驱动器可将光、电、热、湿度等外部能量直接转化为器件本身的机械变形，而无需通过繁琐的能量转化装置，并可在外部刺激撤除后自动还原，受到了国际学术界、产业界的越来越多的关注。对于目前研究较广的双层结构驱动器而言，已经实现包括弯曲、扭曲在内的多种变形形式，其应用研究也已扩展到仿生、爬行机器人、人造肌肉、开关、传感器、操纵器及微纳米机电系统等。但简单结构、快速大变形、多刺激源响应、以及能对飞行、跳跃等复杂生物运动进行模拟的柔性驱动器的研究仍面临挑战。

作为柔性驱动器的一个重要的分支，双晶片驱动器因其简单的结构和卓越的驱动性能而得到了广泛的研究和开发。它们的典型混合结构由两个具有不同热膨胀行为的层组成，这些层在外部刺激下会由于不对称热膨胀而产生弯曲位移。与传统的刚性结构的机器人相比，由柔性驱动器组成的可以逼真的模拟生物系统运动的软机器人（例如步行者，游泳者，滚筒，夹具，触手），它由具有多个自由度的柔性部件组成并且以相对简单的方式完成复杂的运动。此外，由于柔性机器人显著的灵活性，柔性机器人可以更好地操作微妙的物体，抵抗机械损伤并适应环境。 因此，对外部刺激进行响应并且与超大弯曲位移、低驱动电压和易于制造相结合的柔性驱动器可能在仿生及其他领域具有不错的应用潜力。

柔性驱动器是一个新兴的研究领域，在他的发展过程中仍然具有许多的挑战。智能刺激响应材料可以自发地对外部刺激作出反应，例如热，电，光，外部刺激等，并且它还可以将这些不同的能量形式转换为机械能源。尤其是，通过机械响应可以直接将电能转化为机械能的机电致动器在过去的几十年里得到了深入的发展和应用。相对于国外而言，我国在柔性驱动器领域的发展虽任重而道远，但也取得了不错的进展，据国内媒体报道，近期，合肥工业大学与中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所合作，研发出了一种模拟人类「弹指」动作的新型光驱动跳跃机器人。这种跳跃机器人在接受光线照射后，可跳跃至自身高度 5 倍以上，并在空中做出翻滚动作。因此，应借鉴国外柔性驱动器发展的先进经验，力争在柔性驱动器的发展上有重大突破。

柔性驱动器的驱动型能主要取决于材料本身。传统使用的双晶片材料包括金属、金属氧化物和硅，其中大部分具有正CTE（在加热时扩展）。然而，它们通常用于微米级或纳米级致动器，并且所产生的位移受其CTE差异相对较低的限制。因此，诸如碳纳米管（CNT）和石墨烯等材料由于其优异的特能和高的致动性能而被开发出来，据报道，由CNT和聚对二甲苯制成的微悬臂双压电晶片致动器能在50V的低电压下驱动。由CNT和PDMS组成的宏观30mm长的双压电晶片致动器在30伏的电压作用5秒下可以实现9.5mm的大位移。这些驱动器的驱动性能在一定程度上优于基于传统材料制成的驱动器。

为突破传统材料在性能等各方面的限制，近年来，包括介电弹性体，压电聚合物，电致伸缩材料，离子聚合物金属复合材料和导电聚合物及电活性聚合物（EAPs）等由于重量轻，灵活性高，变形大的优点，被广泛研究和用作致动器材料。如碳纳米管（CNT）和石墨烯由于其卓越的电子，热/化学稳定性和机械性能而成为各种器件应用的材料，他们通过焦耳加热引起驱动器的温度变化。基于碳纳米材料的多层聚合物致动器，已引起国内外学者的广泛关注。例如，江等人，制作了一个聚合物双晶片仿生平台，该平台可以在3.4秒内以毫米级响应近红外辐射而可逆地偏转； Kotal等人报道一种高效无金属硫和氮共掺杂石墨烯电极，他可用于经济可行的，大部分可弯曲，空气中工作和高度耐用的离子聚合物致动器；胡等人，展示了一个机电双晶片致动器，它可以展示在3秒内在低电压（10 V）下发生大变形的能力。石墨烯是最薄的弹性材料，具有极好的电子和机械性能，由于负CTEs的独特性质，石墨烯及其衍生物也是电热驱动器的合适材料，包括石墨烯/环氧微驱动器、石墨烯/石墨烯氧化物驱动器、海绵石墨烯纸驱动器、海绵石墨烯/ PDMS驱动器等在内基于石墨烯的驱动器被研究出来。尽管这些基于这些材料的多层聚合物致动器可能具有一些潜在的应用，但响应时间短，变形大，产生的应力高，驱动电压低，以及更通用的操作环境的整体优异性能仍然是发展中的挑战。如铁电陶瓷的小驱动应变以及共轭CP的响应速率和极限循环寿命，此外，对于主要是离子或者场激活的聚合物电活性聚合物（EAP），虽然已被广泛用于致动， 然而，离子活化通常在电解质环境中操作，并且场激活需要高电压（gt; 1kV），这对其实际应用提出了挑战。 对于在软驱动器中作为加热器的碳纳米管（CNT）和石墨烯来说，CNT或石墨烯加热器的相对较高的电阻增加了驱动电压，这些电热驱动器中的大多数在几十伏下工作，除了极少数例外。 高压使得这种执行器除了引起安全问题外，还对实际应用带来了挑战。

尽管这些传统的机电致动器材料在一些驱动性能方面表现出色，如可复制天然肌肉的重要特征（响应速度，位移和可控性）及仿生应用（包括类昆虫运动，飞行机器人和类似鱼的驱动器），但是，它们在其他领域可能仍然不能令人满意，这可能会限制其实现复杂和多种形式的运动。迄今为止，这些驱动电压高、变形小、响应时间长等缺点仍然是传统机电致动器的许多实际应用的重大障碍。因此，研究一种具有成本低、易于制造、轻量化、响应时间短、变形大、产生的应力高、驱动电压低以及更通用的操作环境的整体优异性能的柔性驱动器材料是一个不容置疑的发展趋势。

2. 研究的基本内容与方案

2.1本课题所设计的主要内容

利用电-机械驱动原理设计柔性驱动器。电-机械驱动方式通过采用电加热的方式提高驱动器结构的温度，由于驱动器的不同材料层具有不同的热膨胀系数，温度的变化引起驱动器的弯曲或卷曲。柔性驱动器由两层热膨胀系数（CTE）有巨大差异的材料组成，当施加电压时，将电能转换成热能作用在热响应材料上，由于材料之间CTE的差异，驱动器出现弯曲变形（由大CTE一侧向小CTE一侧弯曲）。从现有的文献可知，现有的驱动器存在驱动性能上不能达到整体优异的水平，因此为了达到大变形、低驱动电压、响应快、高效率等目标，建立驱动器热膨胀引起的弯曲变形力分析示意图如下：

图一 力学示意图

（1）曲率计算及优化