張弛1，張博1，孫巖輝1，欽建國2，朱子才3，唐振華1,4，劉學婧2
（1.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,西安710064；2.西安工程大學機電工程學院,西安710048；3.西安交通大學機械工程學院,西安710049；4.重慶大學航空航天學院,重慶400044）
摘要：聚氯乙烯(PVC)凝膠是一類能夠在電場激勵下產生收縮、彎曲、面內擴張等多種變形模式的高分子聚合物，具有響應快、成本低、質量輕、力電轉換效率高等優點，是一種理想的人工肌肉。本文系統綜述了PVC凝膠近些年的發展現狀，包括材料的組成、性能優化、制備工藝、新型構型設計及應用。重點介紹了通過摻雜功能添加劑來提升PVC凝膠的力電輸出性能，以及利用3D打印、熱熔成型等新型制備工藝實現PVC凝膠材料的快速制備。在傳統陽極吸附型PVC凝膠致動器構型基礎上，詳細討論了基于靜電壓縮和靜電液力耦合驅動兩種原理所設計的新型PVC凝膠致動器。隨后，系統介紹了PVC凝膠致動器在柔性驅動、醫療和光學三個領域的應用。
最后，對PVC凝膠材料現階段所遇到的技術瓶頸及發展趨勢進行了討論。
關鍵詞：聚氯乙烯凝膠；智能材料；柔性驅動；3D打印；光學
傳統機械設備多以剛性硬質材料為基礎，具備操作精度高、輸出能量大、重復工作穩定性強等優勢，但存在結構復雜、質量體積大、能量損耗高及人機交互安全性不足等固有缺陷。伴隨軟體機器人及柔性可穿戴設備等領域的發展，具備類似自然肌肉變形特性的智能材料逐漸成為研究熱點，該類材料能夠在外界刺激下，通過物理或化學特性的可逆變化實現動態響應，相較于傳統驅動模式，具有質量輕、結構緊湊、效率高、環境適應性強、耐沖擊等顯著優勢，在抗震救災、深海探測、醫療體內植入等極端場景中，該類材料展現出不可替代的應用價值。
電致動聚合物(Electroactivepolymers,EAPs)隸屬于智能材料，通過外加電壓或電流來改變自身的物理化學特性[1]。相較于電場型EAPs(如介電彈性體(Dielectricelastomer,DE))和離子型EAPs(如離子聚合物金屬材料(Ionicpolymermetalcomposite,IPMC))，聚氯乙烯(PVC)凝膠致動器憑借其卓越的綜合性能脫穎而出，被認為是一種理想的人工肌肉材料。如表1所示，其制備工藝簡單、模量調節范圍廣(0.1～100kPa)、驅動電壓適中(<1kV)、響應速率快(<100ms)，且壽命長(循環壽命>1000000)[2]。PVC凝膠致動器通常采用三明治結構，由作為芯層的PVC凝膠以及兩側的電極組成。當施加電壓時，由陰極注入的電子會在陽極周圍聚集形成富集層，并與極性塑化劑分子重新排布相耦合，促使材料朝向陽極吸附，從而使整體結構在厚度方向上減小，如圖1所示。通過增加堆疊層數，可以顯著增大驅動位移。這一特性使得PVC凝膠致動器在多個領域得到了廣泛應用，包括醫療康復[3]、仿生機器人[4]以及可調諧光學等[5]。
近年來，PVC凝膠致動器以其優異的性能受到了科學領域的廣泛關注。眾多學者圍繞PVC凝膠致動器的材料改性、制備工藝、新型構型設計以及應用等方面開展了深入研究，并取得了顯著進展，然而目前缺乏對PVC凝膠致動器在PVC凝膠原材料、結構設計及應用方面的系統性梳理和總結。基于此，本文對近年來PVC凝膠致動器的研究進展進行全面梳理：首先，簡要介紹制備PVC凝膠的原材料以及各組分對PVC凝膠膜性能的影響，重點探討通過摻雜功能添加劑、PVC樹脂材料改性和PVC凝膠膜表面處理這三種方式來提升PVC凝膠致動器性能的策略；其次，闡述PVC凝膠的制備工藝，并對各種制備工藝方法的特點進行比較分析；再次，介紹PVC凝膠致動器的結構和構型設計，涵蓋陽極吸附型、靜電壓縮型和靜電液力耦合型等類型；最后，闡述PVC凝膠致動器在柔性驅動、醫療康復和可調諧光學等領域的應用，并對PVC凝膠致動器的研究進展及存在問題進行總結與展望。
1 PVC凝膠原材料及改性技術
PVC凝膠是通過將高分子PVC樹脂與塑化劑在特定條件下進行物理共混而形成的凝膠態空間網絡結構，其材料組成通常包括PVC樹脂、塑化劑、溶劑以及功能添加劑。
1.1PVC樹脂
PVC樹脂是一種具有三維交聯網絡的半結晶聚合物。已有研究[8]表明，不同分子量的PVC樹脂所制備的PVC凝膠性能存在顯著差異。具體而言，PVC凝膠的模量、承載能力以及介電常數均會隨著PVC樹脂分子量的增大而呈現增大的趨勢[9]。雖然較高的分子量可以使材料具有更好的機械強度，但在一定程度上也會限制材料的變形；而過低的分子量又難以成膜或者使獲得的PVC凝膠力學性能較差。因此，在實際制備過程中，應根據需求合理地選擇PVC樹脂的分子量。
目前，制備PVC凝膠大多使用粉末狀PVC樹脂，因此需要先將其溶解。Ali等[10]采用塑料溶膠法制備了PVC凝膠致動器，這一方法不僅簡化了制備工藝，還大幅縮短了制備時間。所制備的PVC凝膠致動器具有優良的力學性能。該研究為PVC凝膠的制備提供了新的思路，同時也為開發新型制備工藝提供了可能。
1.2塑化劑
塑化劑作為PVC凝膠的關鍵組成成分，其種類和用量對于制備PVC凝膠的最終性能至關重要。PVC樹脂本身是一種硬質聚合物，塑化劑能夠插入PVC分子鏈之間，削弱分子鏈間的相互作用力，從而使PVC在室溫下展現出柔軟、橡膠態的凝膠特性。此外，塑化劑還通過溶劑化作用促使PVC分子鏈在外加電場作用下發生取向和位移，進而賦予PVC凝膠電致變形特性。眾多學者對已有的多種塑化劑進行了深入研究，并初步探究了塑化劑對PVC凝膠性能的影響規律[11-13]。例如Uddin等[12]系統研究了鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、己二酸二辛酯(DOA)和偏苯三甲酸三辛酯(TOTM)四種塑化劑對PVC凝膠的力學性能(模量和斷裂伸長率)、力電性能(陽極吸附表面積、形變量、響應時間、彎曲角度)以及壽命的影響。Hirai等[13]研究了DOP、DBP、己二酸二乙酯(DEA)和癸二酸二丁酯(DBS)含量對PVC凝膠的陽極吸附、彎曲、收縮變形和吸附力的影響規律，并從陽極電荷積累的角度對變形特性進行了初步解釋。在上述研究中，作者只探究了使用單一塑化劑的情況。然而，單一塑化劑對PVC凝膠性能的調控較為有限，表現為某種性能的提升通常伴隨著其他性能的衰減。此外，上述使用的各種類型的塑化劑大多具有一定的毒性，盡管成品PVC凝膠中的塑化劑逸出量較少，但是在制備過程中難免會造成塑化劑的泄漏，因此使用環境友好型的塑化劑就成為重中之重。Bae等[5]在制作基于PVC凝膠的變焦透鏡時，使用了一種可生物降解的塑化劑乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)，避免了傳統塑化劑對人體健康和環境的影響。Bae等[14]進一步合成了一種新型的環境友好型塑化劑環己烷二羧酸酯(CHDC)，并利用該塑化劑設計了一種微型透鏡，相較于傳統凝膠，PVC/CHDC凝膠具有響應速率快(0.4s)、漏電流小(＜2μA)以及生物兼容性好等優點。
現階段對塑化劑的研究大多以宏觀實驗結果分析為主，缺少相應的微觀層面的解釋。Li等[15]從分子間作用力的角度，采用實驗與仿真相結合的方法，系統研究了4種不同結構形態的塑化劑分子，即己二酸二丁酯(DBA)、對苯二甲酸二辛酯(DOTP)、ATBC和TOTM對PVC凝膠致動器性能的影響。研究結果表明，塑化劑分子與PVC分子鏈之間的作用力會影響塑化劑分子的運動速率，從而對PVC凝膠致動器的變形程度和響應速率產生影響。相較于具有芳香環的塑化劑(DOTP和TOTM)，線形塑化劑(DBA和ATBC)的分子間的作用力更小，從而具有更大的驅動位移及驅動力。該結果與前述研究的經驗性結果基本一致，即PVC/DBA凝膠的性能最佳。該研究為塑化劑的選擇以及致動器性能的優化提供了理論指導。
1.3溶劑
由于PVC樹脂在沒有溶劑的情況下不能被塑化劑溶解，因此在制備PVC凝膠的過程中，需要引入溶劑。理想的溶劑應滿足以下要求：能夠快速溶解PVC樹脂并形成均勻混合溶液，在PVC凝膠成膜過程中快速揮發，成膜后基本無殘留，且揮發過程對PVC凝膠成膜的影響較小。Aoki等[16]通過實驗證明了四氫呋喃(THF)是一種理想的PVC溶劑，因此THF成為了現階段使用最廣泛的溶劑。
此外，溶劑的用量會對混合液的黏度和流動性產生影響，在不同黏度和交聯溫度下，溶劑的揮發速率不同，最終會影響成膜質量，如平整度和內部孔隙率等。因此，需要精確地控制溶劑的用量和揮發速率。
1.4PVC凝膠改性
通常利用摻雜改性的工藝來提高PVC凝膠的性能，將液體或固體小顆粒以功能添加劑的形式添加到PVC/DBA體系中，從而提高PVC凝膠材料的介電常數或降低其彈性模量，最終獲得驅動性能優異的PVC凝膠致動器。Hirai[17]等研究了四種離子液體，包括三己基(十四烷基)膦甲磺酸鹽、三己基(十四烷基)十二烷基苯磺酸磷、三己基(十四烷基)氯化膦和甲磺酸四丁基磷，對PVC介電凝膠致動器的影響。研究表明，離子液體的加入會對凝膠的形成過程、塑化劑的逃逸行為、材料的柔韌性以及老化現象等產生影響。含有Cl-的離子液體與PVC凝膠的相容性最好，且與其他離子添加液相比，含有Cl-的PVC凝膠具有更高的介電常數、更低的能量損耗以及更好的變形性能。Li等[18]進一步系統研究了3種離子液體，包括1-烯丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([AMIM]BF4)、1-烯丙基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽([AEIM]BF4)和1-烯丙基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽([ABIM]BF4)對PVC凝膠微觀結構(分子鏈排列、塑化劑分布、界面相互作用)的調控機制，揭示了離子液體對PVC凝膠電致形變性能(驅動應變、響應速率、遲滯效應)的增強作用，闡明了離子液體與PVC/塑化劑體系的多物理場耦合機制(離子遷移、介電極化、界面滑移)。該研究系統揭示了離子液體在PVC凝膠中的“離子-電子”雙導電網絡構建機制，提出通過選擇離子液體類型(如陰離子尺寸、極性等)調控材料剛柔特性的策略，對于PVC凝膠致動器的性能優化具有重要的理論價值。
通過納米填料直接混合的方法，也可以改善PVC凝膠的性能。Park等[19]將具有高介電常數的二氧化硅(SiO2)無機納米顆粒摻雜到PVC凝膠中，并利用反模澆鑄法獲得了具有表面波紋結構的PVC凝膠，由該凝膠制得的振動觸覺致動器具有更好的驅動性能以及更低的功耗。Hwang等[20]通過在PVC凝膠中添加納米氧化石墨烯(GO)，成功將PVC凝膠的驅動變形增大了20%，同時其輸出力和輸出功率也分別提高了41%和36%。相較于離子液體，該類功能添加劑會對PVC凝膠的透光率產生影響。當GO質量分數達到0.1%時，PVC凝膠會從透明狀態變為黑色不透明狀態，這在一定程度上限制了PVC凝膠在光學領域的應用。Huang等[21]嘗試將有機納米填料氰乙基纖維素(CEC)摻雜到PVC凝膠中，PVC凝膠的介電常數由7.6提高到18.9，同時黏彈性顯著降低，所得到的PVC凝膠相較于無添加的樣品，其驅動性能提高了一倍。
此外，也有一些學者嘗試使用新型PVC樹脂或對PVC凝膠膜表面進行改性處理，以提高PVC凝膠的性能[22,23]。Li等[22]使用氯化聚氯乙烯(CPVC)粉末來制備PVC凝膠，并研究了CPVC凝膠致動器的性能。相較于PVC粉末制備的凝膠(即PVC凝膠)，CPVC凝膠在小載荷下具有更大的驅動變形，而當負載較大時，CPVC凝膠的變形會顯著減小。該類致動器適用于負載較小但對變形需求較大的場景。Zhang等[23]利用氧和氬等離子體對成品PVC凝膠表面進行改性處理，并采用和頻振動光譜技術(SFG)、相干反斯托克斯拉曼光譜法(CARS)和X射線光電子能譜(XPS)等多種方法對材料表面進行表征。結果表明，等離子體處理可以有效破壞PVC凝膠表面的C—Cl鍵，同時在塑化劑和PVC之間形成相互作用力更強的新化學鍵，從而有效抑制塑化劑(特別是DBA)的逸出，使PVC凝膠具有更好的長期穩定性以及更小的環境危害性，然而，該論文并未探討等離子體處理對PVC凝膠致動器變形性能的影響。
2 PVC凝膠制備工藝
根據PVC凝膠制備過程所耗時長，可以將制備工藝分為溶液澆鑄法和快速成型法兩大類，目前使用最多的是溶液澆鑄法，其基本步驟是將制備好的PVC樹脂、塑化劑、溶劑混合溶液倒入特定模具中進行澆鑄，隨后在常溫下蒸發交聯，待溶劑完全揮發后，最終形成成品膜，其制備過程如圖2(a)所示。為了保證最終獲得的PVC凝膠膜厚度均勻，最簡單的方法是將混合溶液倒入調平后的燒杯或者培養皿中固化成膜[20,24]，該方法可以制備厚度在幾百微米至幾毫米的PVC凝膠膜，但是所得成品的厚度均勻性較差。在某些領域，需要制備厚度在幾十甚至幾微米級別的薄膜，此時可以采用勻膠機旋涂法(圖2(b))[23]，該方法制備的薄膜厚度均勻，但是單次加工面積有限，且因成品膜厚度較小、不易轉移，對底板的要求比較高。此外，也有學者采用中小型的流延機來制備PVC凝膠薄膜(圖2(c))[25]。該方法制備的薄膜厚度及均勻性介于旋涂和澆鑄之間，但產量相較于前兩者有了巨大提高。Dong等[26]通過設計專用的大型流延機，已經初步實現了PVC凝膠膜的批量化生產，為PVC凝膠致動器的商業化提供了可能。
為保證PVC凝膠的性能，溶劑的揮發速率不宜過快，因此大多采用室溫固化的方式，該過程通常需要4～7d，時間成本較高，并且揮發的溶劑容易刺激皮膚與眼睛，環保性較差。Ali[10]提出了一種加熱制備PVC凝膠的方法，該方法如圖2(d)所示。首先，將經甲醇洗滌的PVC樹脂與DBA混合，在攪拌1d后形成PVC塑化溶膠。然后，將適量的塑化溶膠放入玻璃培養皿中，并在150℃的電爐中固化30min。最后，冷卻后得到透明柔軟的PVC凝膠。Helps等[27]也使用了加熱增速的方法來制備PVC凝膠。首先，將PVC顆粒與高閃點的己二酸二異癸酯(DIDA)塑化劑混合形成塑化溶膠，然后在約130℃下緩慢加熱至糊狀物。最后，在約170℃下加熱糊狀物或在180℃下熱壓糊狀物，獲得PVC凝膠。Wu等[28]提出了一種新型的快速熱熔法，可以在10min內完成PVC凝膠的制備(圖2(e))，大大提高了PVC凝膠的制備效率。采用該方法制備的PVC凝膠致動性能顯著提升，其收縮應變達到20.62%，輸出力為0.43N，恢復響應時間為1.416s，這些性能指標均優于傳統制備方法。上述工藝均摒棄了溶劑的使用，且制備時間相較于溶液澆鑄法大大縮短，為實現快速、經濟、簡易的PVC凝膠致動器制備奠定了基礎。
近年來，3D打印技術的快速發展為制備具有復雜結構的PVC凝膠提供了可能。Helps等[27]進行了初步實驗證明了3D打印PVC凝膠的可行性。Luo等[29,30]將直寫打印技術與PVC凝膠制備工藝相結合，打印了性能優異的PVC凝膠致動器；同時實現了網狀的碳納米管(CNT)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)電極與PVC凝膠的同步打印，為全柔性PVC凝膠致動器的實現提供了可能。Wang等[31]提出了一種電可控3D打印PVC凝膠的方法，首次實現了PVC凝膠的梯度打印和具有表面微結構的PVC凝膠的制備，并成功將其應用于軟體仿生水母及智能窗戶領域(圖4(e)和圖6(g))。相較于溶液澆鑄法，3D打印技術在制備復雜構型時具有一定的優勢，但其成本較高、效率較低，難以實現大規模批量化生產。
3PVC凝膠致動器構型設計
為了滿足不同應用領域的需求，PVC凝膠致動器被設計成多種構型，以實現厚度收縮、面內擴張、彎曲以及其他復雜的變形。根據不同的變形機理，可以將PVC凝膠致動器分為陽極吸附型、靜電壓縮型和靜電液力耦合型三大類。
盡管PVC凝膠的準確變形機理尚未完全揭示，但普遍認為導致材料陽極吸附行為的主要原因是電場作用下注入電子的定向運動以及極性塑化劑分子的重排布。基于此現象，Yamano等[33]提出了一種疊層PVC凝膠致動器，其在厚度方向能夠產生較大收縮變形(圖3(a))。該致動器單元具有三明治結構，包括中間層的PVC凝膠芯層、作為陽極的金屬網電極和作為陰極的金屬箔電極。在電場作用下，金屬網一側的PVC凝膠發生陽極吸附現象，一部分PVC凝膠填充了金屬網的網孔空間，將其中的空氣排出。從宏觀角度看，這使得驅動單元實現了厚度方向的收縮。單個致動器的變形較小，往往通過疊層的方式獲得較大的驅動位移。該實驗獲得了13%的厚度收縮應變，1～3Hz的響應頻率以及1～2kPa的輸出應力。在此基礎上，眾多學者針對該類致動器開展了深入研究，使得疊層PVC凝膠構型成為目前應用最為廣泛的致動器類型[34,35]。Liu等[34]綜合考慮了金屬網的線徑、目數和孔隙率，計算出了最優的陽極網格尺寸。Li等[35]進一步提出了一種基于不銹鋼網的模塊化疊層PVC凝膠致動器，該致動器通過調節塑化劑含量并優化金屬絲網的結構參數，將致動器的收縮應變提高到20%，響應頻率提高到10Hz，同時性能穩定性極好。由于使用金屬電極，該類致動器的質量通常較大，且柔性有限，并未實現真正意義上的全柔性，多用于尺寸空間較大的場所。
除了上述使用的金屬網電極外，有些學者還提出了其他的設計方案。如Helps等[36]采用反模法在PVC凝膠的一側加工了多種微型結構。具有V形表面微結構的致動器具有高達26%的厚度收縮應變，高于現有的使用金屬網電極的PVC凝膠致動器(圖3(b))。Helps[36]進一步嘗試使用柔性電極制備全柔性的PVC凝膠致動器，并獲得了約13%的驅動應變。Park等[37]使用編織工藝將矩形長條PVC凝膠制備成編織物并將其置于兩個平面電極之間。在陽極吸附和靜電壓縮的耦合作用下，致動器表現出一定的厚度收縮應變。Park進一步將其應用于小型觸覺反饋裝置，為柔性可穿戴裝置的研發提供了研究思路。Wang等[31]通過3D打印技術制備了具有表面微結構的PVC凝膠，并在其兩側集成了透明電極（ITO玻璃）。該致動器在電場作用下不僅發生厚度方向的收縮變形，還能實現從不透明到透明的可逆光學轉變，兼具力學致動與動態光學調控功能。本研究為新型智能窗戶的開發提供了可能。上述兩種致動器的特點是陰陽極均使用平面型電極，輕量化和柔性相較于使用金屬網電極的致動器有所提高。
此外，利用PVC凝膠的陽極吸附特性，還可以實現彎曲變形，從而拓展了致動器的應用領域。Hirai等[38]首先研究了PVC凝膠的蠕變效應與電場誘導彎曲的耦合機制，在60s內致動器實現了80°的彎曲變形。Shin等[9]研究表明，當PVC樹脂與PVC塑化劑質量比為1:11時，致動器可在3.15s內實現180°的彎曲變形。Wang等[31]利用3D打印技術制備了彎曲型PVC致動器并將其應用于仿生水母領域，證明了該材料在仿生軟體機器人領域應用的可行性(圖3(c))。最后一類陽極吸附型致動器是編織型PVC致動器。Furuse等[39]制備了具有芯鞘型結構的PVC凝膠線條，該線條中心為摻雜有CNT的導電PVC凝膠，外層包裹著PVC凝膠(圖3(d))，接著利用紡織工藝設計了編織型PVC致動器和紗線型PVC致動器，兩者在電場作用下，分別表現出了收縮特性和伸長特性。該類致動器與疊層金屬網致動器相比，具有更好的結構緊湊性、柔順性和布置的靈活性。
上述各種類型的致動器都是基于PVC凝膠的陽極吸附原理設計的。與此同時，PVC凝膠也是一種性能優異的介電材料，當其兩側涂覆有柔性或彈性電極時，在電場作用下會表現出一定的面內擴張變形，類似于電場型電致動聚合DE的變形特性[6]。Li等[40]通過在PVC凝膠兩側涂覆碳膏電極，設計了平面形PVC凝膠致動器。該致動器具有優異的驅動性能，在120V電壓下，能夠在90ms內實現21%的面內擴張應變率和0.6MPa的輸出應力，該性能已接近生物肌肉，優于疊層金屬網PVC凝膠致動器。Li等[41,42]進一步利用PET纖維對PVC凝膠進行單方向約束，從而實現了PVC凝膠致動器的純剪切變形，在保持驅動應力和響應時間不變的情況下，將驅動應變提高到了40%(圖3(e))；同時對該變形模式進行理論建模，為致動器性能的優化提供了理論指導。Wang等[43]將CNT摻雜到PVC凝膠中，制備了具有良好導電性的PVC/CNT彈性電極，該電極與PVC凝膠之間具有很好的黏接強度，為靜電壓縮型PVC凝膠致動器的進一步應用奠定了基礎。
陽極吸附型和靜電壓縮型PVC凝膠致動器，在電場作用下容易出現電擊穿現象，且擊穿后無法修復，使致動器失效。Keplinger課題組[44]提出了一種靜電液力耦合的柔性致動器(HASEL)，該致動器具有響應速率快、變形大、循環壽命長、擊穿后能自修復等特性，在柔性驅動、仿生機器人領域得到了廣泛的關注與研究。Kim等[45]在HASEL結構基礎上，利用PVC凝膠取代傳統使用的硅橡膠和雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)等材料，實現了HASEL致動器的低電壓驅動并獲得了更大的驅動力(圖3(f))。相較于使用硅橡膠外殼的HASEL，該致動器成功將驅動力由1N(7kV)提升至3.2N(2kV)，同時探索了其在柔性可調焦透鏡領域的應用。Jang等[46]進一步設計了具有陣列式獨立電極的PVC/HASEL致動器，首次實現了單一器件在形狀變形與觸覺反饋之間的無縫切換，為其在柔性電子、軟體機器人、智能穿戴交互等領域的應用提供了可能。由于介電液的引入，該類致動器對于密封有著嚴格的要求。由于現階段缺乏有效黏接PVC凝膠的黏合劑，只能選用與塑化劑不發生反應的硬質材料作為封裝結構，這一限制不僅使其難以實現真正意義上的柔性化，也成為后續研究中亟待突破的關鍵問題。
4 PVC凝膠致動器的應用
4.1柔性驅動
目前應用較多的是能夠在厚度方向實現收縮和舒張的疊層PVC凝膠致動器。如Park等[47]設計了一種基于波紋狀PVC凝膠的柔性觸覺致動器(圖4(a))，該致動器可以在較寬的工作頻率(0～300Hz)范圍內輸出高達0.7G的振動加速度。實驗數據表明，該振動加速度能夠可靠地激活人體皮膚中的觸覺感受器，滿足可穿戴設備對觸覺反饋的基本要求。為提高致動器的性能，該團隊[19]將SiO2納米顆粒引入PVC凝膠，證明了SiO2納米顆粒能夠顯著提高致動器的靈敏性，且當PVC凝膠與SiO2納米顆粒的質量比為1:0.1時，靈敏性最佳。Li等[48]提出一種使用疊層PVC凝膠致動器的新型雙指夾持器，由疊層PVC凝膠致動器、帶有滑動槽的傳動軸和夾具三部分組成(圖4(b))。夾持器的最大開合角約為20°,所能夾持的最大物體寬度為40mm，有效夾持力可達4N，可以穩定抓取各種形狀和大小不規則的小物體，如電動膠帶、塑料刷、膠水棒、記號筆等。Xu等[4]針對現有碳基電極導電率差和金屬電極柔性差的缺點，開發了一種高導電率、低剛度的液態鎵基合金電極，相較于傳統電極該電極具有更大的驅動應變和更長的循環壽命。Xu利用該新型電極進一步設計了多種仿生裝置，如圖4(c)所示為間歇式蠕動機器人。Dong等[26]設計了一種由彈性骨架和疊層PVC凝膠致動器組成的對抗式仿生魚尾，其結構如圖4(d)所示。仿生魚尾利用兩側PVC凝膠致動器的交替驅動來實現整體結構的雙向擺動，從而模擬魚尾的運動。該機器人具有6個自由度，可以實現機器魚的前進和游動方向的改變，以及超過12h的續航。Wang等[31]利用3D打印技術設計了一款仿生水母機器人，該機器人利用PVC凝膠的彎曲變形成功模擬了水母的水下運動形態，相應致動器可在數秒內實現高達170°的彎曲變形(圖4(e))。上述三部分工作為未來的水下仿生機器人帶來較大的啟發。Chang等[49]設計并改進了基于PVC凝膠的HASEL致動器，并通過優化介電液、電極和PVC凝膠的配比，實現了舒適而細膩的振動(圖4(f))，該致動器顯著改善了現有HASEL致動器存在的功率低、驅動電壓高、耐久性不足等問題。此外，通過設計控制電路和開發振動算法，可將其應用于車輛頸枕中，產生與車載音樂產生相呼應的振動。
4.2醫療康復
近年來，隨著人們對醫療康復領域的重視，PVC凝膠致動器因其優異的變形性能、良好的生物兼容性，在醫療康復領域得到了廣泛的研究與應用。首先，在可穿戴外骨骼助力裝置領域，Li等[3,50,51]做了大量的工作，如圖5(a～c)所示。傳統的外骨骼多采用電機加機械傳動的方式，存在結構復雜、質量大、生物兼容性差等一系列缺點。Li先后設計了三種應用于大腿的PVC凝膠助力裝置，利用致動器的收縮和膨脹變形產生的輸出力來輔助行走，同時優化了其控制電路與系統，最終實現了結構簡單、質量輕、靈活性高、穿戴舒適方便的柔性可穿戴助力裝置。該裝置可有效提高患者的步長與行走速率。Liu等[52]利用疊層PVC凝膠致動器設計了手指震顫抑制裝置，該裝置質量輕(25g)、響應快(＜0.1s)且采用主動控制策略(圖5(d))。當震顫頻率在3～6Hz(手指震顫最常見的頻率范圍)時，主動吸收系統能夠有效抑制手指震顫達65%。Tian等[53]提出了一種基于PVC凝膠驅動的新型陣列式電活性人工肌肉致動器，并將其應用于盲文顯示器(圖5(e))：首先采用鑄造工藝制備了四種不同表面結構的PVC凝膠并測試致動性能，其中圓錐形和截頭圓錐形陣列結構更有利于提升致動器的輸出位移；然后使用Lippmann-Young方程分析了PVC凝膠中的電潤濕效應，以解釋具有不同表面結構接觸角的PVC凝膠的性能差異；最后將6個具有錐形表面陣列結構的疊層PVC凝膠致動器組成盲文顯示器，可以有效顯示從0到9的盲文數字。以上研究為PVC凝膠致動器在未來醫療康復領域的應用奠定了一定的基礎。
4.3光學領域
PVC凝膠具有透光率高、循環壽命長和穩定性好等特點，因此在光學領域的應用具有一定的優勢[54]。目前，基于PVC凝膠的光學器件主要分為兩大類：柔性可調焦透鏡和可調節透明度的智能窗戶。
變焦透鏡是利用PVC材料本體作為鏡頭。加電情況下，PVC材料靠近電極部分發生陽極吸附變形，從而改變了PVC材料的表面曲率，進而改變了入射光的折射角度，最終達到變焦的效果。在此領域，韓國的Kim及Bae團隊做了大量的工作[5,14,32,55]。Bae[5]創新性地提出了一種ITO玻璃/PVC凝膠/導電PCB的三明治結構透鏡(圖6(a))，其中ITO玻璃作為透明陰極，PCB板上開有直徑為1mm的通孔，通孔側壁鍍有金屬作為陽極。當施加一定的預壓力時，處于中間芯層的PVC凝膠會在通孔部分凸起具有一定的曲率，形成透鏡鏡片。加電狀態下，PVC凝膠因陽極吸附作用而附著在通孔側壁上，從而使通孔部分凸起的PVC凝膠曲率發生改變，進而改變鏡頭的焦距。該透鏡能夠在500V電壓下實現焦距在5～15mm之間的變化。為提高透鏡的變焦范圍，該團隊進一步提出了雙PCB通孔電極的構型，該透鏡使用兩塊帶有相同直徑通孔電極的PCB板，并將兩塊PCB板置于PVC凝膠兩側，如圖6(b)所示[32]。當輸入電壓為0～400V時，焦距可以在3～24.5mm之間變化。此外，透鏡的視場角(FOV)變化范圍為121.9°~41.9°。在該雙曲面透鏡的基礎上，Kim團隊[55]成功引入了一種新型的高性能協同塑化非離子型PVC凝膠(SPNIPGel)[55]。通過一定的電壓控制策略，該透鏡可呈現出雙凸、平凸、平凹、雙凹四種構型，其變焦范圍進一步擴大至31.8~−11.3mm(圖6(c))。除此之外，Kim團隊還在PVC凝膠的環保方面做了一定的工作，通過合成環境友好型塑化劑，減少了塑化劑對人體及環境的危害[14]。
對于上述透鏡，其陽極和陰極電極位于兩個不同的裝置上。如圖6(a)所示，透鏡電極分別位于PCB板通孔側壁和ITO玻璃上，導致該類透鏡結構復雜，加工繁瑣。而一種較為簡單的改進方案是將透鏡的陰陽電極一次性加工在同一個平面上。基于此思想，Cheng等[56]提出了如圖6(d)所示的平面型透鏡。該透鏡具有廣闊的變焦范圍，能夠在1000V以內實現焦距從-154.1mm到-21.3mm的變化。為了降低驅動電壓，Xu等[57]在PVC凝膠中摻雜了微量的離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMIM]PF6)，并通過實驗研究了離子液體含量對驅動性能的影響規律。結果表明，當[BMIM]PF6摻雜量為0.01%（質量分數）時，驅動電壓降低為未摻雜PVC凝膠的1/22，所制備的250μm光圈透鏡在5～7V電壓驅動下，可實現4.2～2.5mm的焦距變化。
由于PVC凝膠的變形能力有限，基于PVC凝膠本體的鏡頭設計通常存在光圈較小(小于1.5mm)的問題。考慮到PVC凝膠本身具有良好的致動特性(如5.1部分所述)，研究人員嘗試利用PVC凝膠驅動液體鏡頭來實現變焦功能[25,58]。Song等[58]設計了一種以PVC凝膠為容器壁、ITO玻璃為容器底的結構，在PVC凝膠腔體內注入甘油溶液。加電時，PVC凝膠發生變形，改變凝膠腔的容積，從而改變溶液的表面曲率，實現了光路的調節(圖6(e))。該設計的光圈直徑可達7mm，焦距調節范圍為−∞至−22.57mm和20.87mm至+∞。Zhang等[25]提出了一種新型的彈性薄膜封裝透明液體的結構。該結構采用環形疊層PVC凝膠致動器擠壓透明液體，并通過改變光路部分彈性薄膜的曲率來實現焦距調節，如圖6(f)所示。該透鏡的光圈直徑達10mm，在0～250V電壓范圍內可實現高達950%的焦距變化率。
PVC凝膠在光學領域的另一個應用是可調節透明度的智能窗戶。智能窗戶是一種能夠動態調節透光率的功能器件，在隱私保護、光線管理和節能建筑等領域具有重要應用價值。Wang等[31]提出了一種基于PVC凝膠的智能窗戶設計，其結構由表面具有微結構的PVC凝膠層和兩側的透明導電ITO玻璃組成(圖6(g))。在初始狀態下，PVC凝膠表面的球形微結構會對入射光產生多重散射，導致器件呈現不透明特性。當施加外加電場時，PVC凝膠在陽極吸附作用下發生形變，微結構逐漸填充相鄰間隙，導致表面趨于平整。這一結構變化顯著降低了光散射效應，從而使器件從光學不透明態轉變為透明態。
5結論
本綜述系統介紹了近年來PVC凝膠致動器在材料(包括原材料組成、改性、制備)、結構設計和應用方面所取得的顯著研究進展。盡管如此，在材料的進一步產業化過程中，仍然面臨著一系列的挑戰。
（1）PVC凝膠的變形機理仍有待深入研究。目前，盡管已有諸多學者通過實驗表征和數值模擬等方法對PVC凝膠的變形行為進行了探索，但對其力-電耦合作用機制仍缺乏系統完善的理論描述。這一理論體系的缺失導致材料改性及結構設計缺乏有效的理論指導，使得相關研究存在一定程度的盲目性，難以精準調控其性能以滿足實際應用需求。
（2）摻雜改性。摻雜功能添加劑是目前PVC凝膠改性的主要技術途徑。然而，現有改性研究多基于試錯法和經驗性探索，存在實驗效率低、改性效果可控性差等問題。隨著人工智能技術的快速發展，特別是深度學習方法的廣泛應用，將其引入PVC凝膠的摻雜改性研究，有望實現材料配方的智能優化，顯著提升實驗效率并降低研發成本。
（3）PVC凝膠致動器的運動控制研究。PVC凝膠致動器在微流體操控、細胞力學拉伸實驗、微型變焦光學系統等領域展現出重要應用價值，其輸出位移與驅動力的控制精度直接影響集成設備的整體性能指標。然而，現有研究在致動器的精密運動控制和輸出穩定性方面仍存在明顯不足。近期的研究表明PVC凝膠材料具有驅動和傳感的雙重功能特性。因此，開發具有傳感-驅動一體化功能的智能型PVC凝膠致動器，不僅能夠實現閉環運動控制，提升輸出精度，更可能為柔性智能器件的創新發展提供新的技術路徑。
（4）PVC凝膠的規模化制備技術。目前PVC凝膠的制備技術主要局限于實驗室規模，存在制備效率低、批次間性能差異顯著等關鍵問題。這些問題嚴重制約了PVC凝膠材料的實際應用推廣。為實現該材料在工程領域的廣泛應用，亟需開發具有良好可重復性和規模化生產潛力的制備工藝。
總之，作為一種極具潛力的人工肌肉，PVC凝膠致動器因其變形大、響應速率快、能量密度高、循環壽命長、成本低等優點，在柔性驅動、醫療康復、智能光學等領域具有廣闊的應用前景。未來，隨著人工智能技術的進步和對PVC凝膠變形機理的深入研究，將會進一步促進PVC凝膠的發展，有望在智能穿戴、環保節能等領域表現出獨特的優勢，推動相關產業的創新發展。
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