本發(fā)明涉及一種內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

負(fù)泊松比(negativepoisson’sratio,npr)結(jié)構(gòu)是一類具有獨特力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)，在受壓時會發(fā)生側(cè)向收縮而不是側(cè)向膨脹，因此材料會自動集中于加載處從而能夠更有效地承受載荷，結(jié)構(gòu)的剛度也會隨著載荷的增加而非線性增大，因此負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)能夠更加充分地利用材料的力學(xué)性能。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與所使用材料的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，經(jīng)過一定的材料和參數(shù)設(shè)計，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)能夠同時具有優(yōu)異的吸能效率和阻尼性能，在一定程度上可以同時實現(xiàn)彈性元件和減振元件的作用。然而當(dāng)材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等基本力學(xué)性能也隨之確定，無法同時滿足不同載荷和激勵作用下的性能最優(yōu)。例如在應(yīng)用于吸能與減振結(jié)構(gòu)時，若施加的載荷較小，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形較小無法達(dá)到最大的工作行程，使得峰值力無法降低；而當(dāng)載荷較大時，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的變形很大并且超過了最大行程，則峰值力在之后也會大幅度的增加。因此負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的吸能和減振性能還存在著進(jìn)一步提高的空間。而如果負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能實時可變，則在不同載荷工況下，都能夠完全利用結(jié)構(gòu)的最大行程，在保證吸能效率的情況下能夠最大程度降低峰值力，因此設(shè)計一種力學(xué)性能實時可變的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有重大意義。

電活性聚合物是一類在電場和電壓激勵下可以產(chǎn)生大幅度位移和載荷變化的新型柔性功能材料，此外，其位移和載荷情況的改變也會引起電場和電壓的顯著變化，因此電活性聚合物的載荷、位移、電場和電壓狀態(tài)是相互耦合的，其中任一狀態(tài)的改變將會引起其他某一個參數(shù)狀態(tài)或某幾個參數(shù)狀態(tài)的變化。電活性聚合物主要可分為離子型和電場型兩大類：離子型電活性聚合物是以化學(xué)能作為過渡實現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化，其優(yōu)點是驅(qū)動電壓低和變形大，但響應(yīng)較慢且能量密度低，因此難以適用于動態(tài)工況下的吸能部件。電場型電活性聚合物可進(jìn)一步分為壓電型和介電型：壓電型電活性聚合物在電場激勵下材料本身會產(chǎn)生電致應(yīng)力，直接實現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，但變形較小且效率較低；介電型電活性聚合物在電場激勵下通過兩側(cè)電極產(chǎn)生的靜電庫侖力實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，其特點是響應(yīng)快、變形大(最大面積應(yīng)變可達(dá)380％)、能量密度較大且能量轉(zhuǎn)換效率很高(最高達(dá)90％)，基于上述特點，介電型電活性聚合物通常也被成為人造肌肉。介電型電活性聚合物的另一個優(yōu)點是成本便宜，因此有望得到廣泛的應(yīng)用。介電型電活性聚合物主要承受拉伸載荷而在厚度方向的變化很小，因此在應(yīng)用為致動器、傳感器時通常需要一定的支撐結(jié)構(gòu)將其拉伸變形轉(zhuǎn)變?yōu)檠啬骋粭l軸線的運動。將介電型電活性聚合物應(yīng)用于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中則是一種全新的思路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，通過介電型電活性聚合物的應(yīng)用實現(xiàn)內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可變，使內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在不同的電壓激勵下具有不同力學(xué)性能，并且能夠同時實現(xiàn)彈性元件、減振元件、傳感器元件、致動器元件和能量回收元件的集成化、電子化、信息化和智能化。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，由內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞陣列而成；

所述內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞包含左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼、上側(cè)肌腱和下側(cè)肌腱；

所述左側(cè)骨骼呈“>”形、右側(cè)骨骼呈“<”形；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱均呈直線狀，相互平行且長度相等；

所述上側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的上端、右側(cè)骨骼的上端固連，下側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的下端、右側(cè)肌腱的下端固連；

所述左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼的楊氏模量大于上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的楊氏模量；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱采用介電型電活性聚合物，其兩側(cè)均接外部電壓。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼采用鋼材、合金材料、高分子聚合物、高強(qiáng)度纖維材料中的任意一種制成。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱呈夾芯板結(jié)構(gòu)，其中，夾芯材料為介電彈性體，夾芯材料兩側(cè)為柔性電極，且兩側(cè)柔性電極的楊氏模量小于介電彈性體的楊氏模量。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述夾芯材料采用聚氨酯彈性體、硅膠或丙烯酸酯中的任意一種，兩側(cè)柔性電極采用電極碳粉、銀膏、金屬薄膜、碳脂、碳納米管、水凝膠電解質(zhì)、石墨烯、導(dǎo)電彈性體中的任意一種。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述上側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的上端、右側(cè)骨骼的上端通過膠粘的方式進(jìn)行固連，下側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的下端、右側(cè)肌腱的下端通過膠粘的方式進(jìn)行固連。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼均包含第一骨骼段和第二骨骼段，其中第一骨骼段的一端和第二骨骼段的一端固連。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼均包含第一骨骼段和第二骨骼段，其中第一骨骼段的一端和第二骨骼段的一端通過鉸鏈的方式進(jìn)行連接。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

將介電型電活性聚合物應(yīng)用于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中，一方面，由于介電型電活性聚合物在電場或電壓激勵下會產(chǎn)生一定的位移或載荷變化，因此：

(1)當(dāng)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)作為被動部件時，位移或載荷的變化會顯著影響負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能可以根據(jù)載荷和激勵情況通過不同的電場和電壓激勵進(jìn)行一定的主動控制，從而顯著提高負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在不同的載荷和激勵作用下的吸能、減振性能；

(2)當(dāng)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)作為主動部件時，位移或載荷的變化能夠作為機(jī)械系統(tǒng)的能量輸出，從而起到致動器的作用。

另一方面，由于介電型電活性聚合物在位移或載荷作用下會產(chǎn)生一定的電場或電壓變化，因此：

(1)當(dāng)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)作為被動部件時，可以通過測量介電型電活性聚合物兩側(cè)電極的電場和電壓變化，計算出載荷情況，因此內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)本身能夠作為傳感器元件；

(2)當(dāng)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)作為主動部件時，通過對電場和電壓變化的收集可以實現(xiàn)機(jī)械能量回收的功能，對于降低能源損耗、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保等均具有積極的意義。

二維內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞中的骨骼為介電型電活性聚合物提供了一個支撐結(jié)構(gòu)，通過元胞往不同方向的復(fù)制，能夠使得一個元胞的機(jī)電響應(yīng)可以進(jìn)行周期性的疊加，從而能滿足更大尺度的結(jié)構(gòu)要求，并且提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。

在單變量的輸入下，內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)主要具有機(jī)械變形、充電、機(jī)械驅(qū)動和放電等四個相互獨立的機(jī)電狀態(tài)，能夠分別實現(xiàn)吸能減振和傳感、變剛度變阻尼、驅(qū)動和能量回收等功能，這四個狀態(tài)構(gòu)成一個機(jī)電循環(huán)。在某一個特定的機(jī)械和電致變形過程中，內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)能夠同時實現(xiàn)上述所有功能，并實現(xiàn)多功能的耦合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的二維截面示意圖；

圖2是本發(fā)明中內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的二維截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；

圖3是本發(fā)明中內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的一種三維示意圖；

圖4(a)、圖4(b)分別是內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞中的介電型電活性聚合物肌腱材料的結(jié)構(gòu)示意圖和機(jī)電變形示意圖；

圖5是本發(fā)明內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的一種二維截面以及變形示意圖；

圖6是本發(fā)明內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的一種三維示意圖；

圖7是內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中機(jī)械力與電場力的關(guān)系；

圖8是內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機(jī)電循環(huán)的電壓和電荷變化圖；

圖9是內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機(jī)電循環(huán)的能量變化圖。

具體實施方式

本發(fā)明將介電型電活性聚合物應(yīng)用于內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中的肌腱部分，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的實時可變，使其在不同的電壓或電場激勵下具有不同的力學(xué)性能，并且能夠同時實現(xiàn)彈性元件、減振元件、傳感器元件、致動器元件和能量回收元件的集成化、電子化、信息化和智能化。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明公開了一種基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，由內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞陣列而成；

所述內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞包含左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼、上側(cè)肌腱和下側(cè)肌腱；

所述左側(cè)骨骼呈“>”形、右側(cè)骨骼呈“<”形；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱均呈直線狀，相互平行且長度相等；

所述上側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的上端、右側(cè)骨骼的上端固連，下側(cè)肌腱的兩端分別和左側(cè)骨骼的下端、右側(cè)肌腱的下端固連；

所述左側(cè)骨骼、右側(cè)骨骼的楊氏模量大于上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的楊氏模量；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱采用介電型電活性聚合物，其兩側(cè)均接外部電壓。

圖1展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的二維截面示意圖，101至106均為為直線段，其中，101和102構(gòu)成左側(cè)骨骼，103和104構(gòu)成右側(cè)骨骼，105構(gòu)成上側(cè)肌腱，106構(gòu)成下側(cè)肌腱。

在內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞內(nèi)部，101段上端與105段左端連接，102段下端與106段左端連接，103段上端與105段右端連接，104段下端與106段右端連接。連接方式可以采用膠粘的方式。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞中的骨骼101段與102段之間可采用倒角、倒圓角以及其他過渡方式直接連接，也可以采用鉸鏈的方式進(jìn)行連接。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞中上下側(cè)肌腱部分105和106的介電型電活性聚合物的上下表面柔性電極分別與高壓直流電源107和108的正負(fù)極連接，根據(jù)具體需要，電源的電壓可進(jìn)行調(diào)整，并且可接通或斷開該電路。

圖2展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的二維截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，其中：左側(cè)骨骼和右側(cè)骨骼的厚度為tα，上側(cè)肌腱和下側(cè)肌腱的厚度為tβ；骨骼101段與x軸之間的夾角為α，由幾何關(guān)系知0＜α＜90°；元胞的有效高度為hc，為骨骼101段上端至骨骼102段下端之間的距離，其表示每一個元胞為整體結(jié)構(gòu)提供的高度；元胞的有效寬度為wc，為骨骼101段下端中點與103段下端中點之間的距離，其表示每一個元胞為整體結(jié)構(gòu)提供的寬度；高壓直流電源的電壓分別為φ1和φ2。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞中的左側(cè)骨骼和右側(cè)骨骼由于起到結(jié)構(gòu)支撐作用，因此其楊氏模量比肌腱的楊氏模量大，可采用各類鋼材、合金材料、高分子聚合物、各類高強(qiáng)度纖維材料等。

圖3展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的一種三維示意圖，其為內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的二維截面沿z軸方向拉伸而成，其沿z軸方向的深度為l。圖中301、302和303構(gòu)成了肌腱層，其中301和303分別為介電型電活性聚合物上下表面的柔性電極，302為介電型電活性聚合物中的介電彈性體，帶有開關(guān)的直流電源φ1兩極分別連接在301和303上。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞的上側(cè)肌腱和下側(cè)肌腱的介電型電活性聚合物為一夾芯板結(jié)構(gòu)，其中夾芯材料為介電彈性體，兩側(cè)為柔性電極，其中柔性電極材料的楊氏模量比介電彈性體的楊氏模量小得多，在滿足上述條件下，介電彈性體和柔性電極的材料可任意選擇。

圖4(a)展示了介電型電活性聚合物示意圖，為一夾芯板結(jié)構(gòu)，其中夾芯材料為介電彈性體，可采用聚氨酯彈性體、硅膠、丙烯酸酯等材料。上下兩側(cè)為柔性電極，可采用電極碳粉、銀膏、金屬薄膜、碳脂、碳納米管、水凝膠電解質(zhì)、石墨烯和導(dǎo)電彈性體等材料。介電型電活性聚合物在初始狀態(tài)，長l1，寬l2，厚t。介電型電活性聚合物材料中柔性電極材料的楊氏模量應(yīng)當(dāng)比介電彈性體小得多，以減小其對介電型電活性聚合物力學(xué)性能的影響。

圖4(b)展示了介電型電活性聚合物的機(jī)電變形示意圖，上下兩側(cè)柔性電極分別與一電壓為φ的高壓直流電源的兩極相連，此時介電型電活性聚合物類似于一個電容，電流無法穿過介電彈性體，因此上下兩側(cè)柔性電極處分別積累了±q電荷，產(chǎn)生靜電效應(yīng)并形成庫侖力，從而壓縮介電彈性體并使之厚度減小至t，長度和寬度分別增大至l1和l2，此時介電型電活性聚合物在三個方向的受力狀態(tài)分別為p1、p2和p3。該系統(tǒng)中φ、q、p和t是相互耦合的狀態(tài)參數(shù)，其中任一狀態(tài)的改變均會影響其他三個狀態(tài)參數(shù)。

圖5展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的一種二維截面以及變形示意圖，其中在結(jié)構(gòu)橫向方向上包含的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞個數(shù)定義為橫向元胞數(shù)，即沿x方向的元胞數(shù)；在結(jié)構(gòu)縱向方向上包含的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞個數(shù)定義為縱向元胞數(shù)，即沿y方向的元胞數(shù)。圖中實例的橫向元胞數(shù)為9，縱向元胞數(shù)為8。當(dāng)內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)承受y方向的壓縮載荷時，其在x方向會發(fā)生收縮變形，呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。為了更清晰的展示內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，圖中省略了電源系統(tǒng)。

在內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其上側(cè)元胞的連接方式為：101段上端與其上側(cè)元胞的102段下端直接相連，為一整片材料的不同區(qū)域；103段上端與其上側(cè)元胞的104段下端直接連接，為一整片材料的不同區(qū)域；105段與其上側(cè)元胞的106段共用邊。該元胞與其下側(cè)元胞的連接方式相同。

在內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其左上側(cè)元胞的連接方式為：101段與其左上側(cè)元胞的104段共用邊。該元胞與其右下側(cè)元胞的連接方式相同。

在內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其左下側(cè)元胞的連接方式為：102段與其左下側(cè)元胞的103段共用邊。該元胞與其右上側(cè)元胞的連接方式相同。

圖6展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的一種三維示意圖，其為內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的二維截面沿z軸方向拉伸而成，其沿z軸方向的深度為l。為了更清晰的展示內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，圖中省略了電源系統(tǒng)。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)還可以是其他形狀，譬如由內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞陣列而成的空心圓柱等等。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可作為緩沖和減振元件，是由本身負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)特性和超彈性材料的非線性力學(xué)特性所決定的。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能實時可變的原理為：當(dāng)結(jié)構(gòu)連接的電源電壓φ1和φ2增大時，肌腱層的介電型電活性聚合物兩側(cè)電極上積累的電荷增大，產(chǎn)生的靜電庫侖力也隨之增大，使介電型電活性聚合物的厚度減小，并使其面積增大，這將降低骨骼夾角α，改變了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；另一方面，電源電壓φ1和φ2增大時，肌腱材料的剛度降低，改變了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的材料性能。因此內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在不同電激勵下具有不同的力學(xué)性能。

圖7展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中機(jī)械力與電場力的關(guān)系。在平衡狀態(tài)，電場力與機(jī)械力相等。當(dāng)結(jié)構(gòu)中介電型電活性聚合物的電壓、電荷以及電容發(fā)生變化而使得電場力超過機(jī)械力時，如點1所示，為了達(dá)到平衡位置，則機(jī)械力持續(xù)增大，介電型電活性聚合物的厚度降低而面積增大，最終達(dá)到電場力與機(jī)械力的平衡，到達(dá)點2，在此過程中，部分電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。另一方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)的載荷和變形發(fā)生變化而使得機(jī)械力超過電場力時，如點3所示，為了達(dá)到平衡位置，則電場力持續(xù)增大，介電型電活性聚合物兩側(cè)電極的電壓升高，最終達(dá)到電場力與機(jī)械力的平衡，到達(dá)點4，在此過程中，部分機(jī)械轉(zhuǎn)換為電能。在圖中平衡狀態(tài)曲線的左上方區(qū)域，內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)工作在致動器模式下，在平衡狀態(tài)曲線的右下方區(qū)域，則工作在能量回收(或稱發(fā)電機(jī))或傳感器模式下。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在作為致動元件時，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其基本原理為：當(dāng)結(jié)構(gòu)未接入電源時，肌腱層的介電型電活性聚合物在載荷的作用下保持平衡。而當(dāng)結(jié)構(gòu)接入電源時，介電型電活性聚合物在電壓的作用下兩側(cè)電極積累電荷，產(chǎn)生的電場力沿厚度方向壓縮介電型電活性聚合物并使其面積增大，從而使內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)發(fā)生一定量的位移，達(dá)到致動的功能。當(dāng)結(jié)構(gòu)接入的電源電壓φ以及承受的載荷p不同時，內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移也不同，從而實現(xiàn)不同的致動需求。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在作為能量回收元件時，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。圖8展示了內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機(jī)電循環(huán)的電壓和電荷變化圖，圖9則展示了典型機(jī)電循環(huán)的能量變化圖，圖8和圖9中的a、b、c、d四個點代表四個相同的狀態(tài)。典型機(jī)電循環(huán)包含4個主要步驟：

(1)a點-b點，斷開電源，介電型電活性聚合物兩側(cè)電極上的電荷量ql保持不變，則載荷增大時介電型電活性聚合物厚度減小，電容增大，兩側(cè)電極之間電壓降低至φl，此為肌腱拉伸階段，介電型電活性聚合物存儲的機(jī)械能增大；

(2)b點-c點，介電型電活性聚合物兩側(cè)電極連接至一個具有較低電壓φl的電源，介電型電活性聚合物厚度減小，兩側(cè)電極之間的間距減小并使電容增大，電荷量增大至qh，此為充電階段，介電型電活性聚合物存儲的電能增大；

(3)c點-d點，斷開電源，在開路電路中電荷量qh保持不變，介電型電活性聚合物厚度增大，電容降低，則兩側(cè)電極之間的電壓增大至φh，此為肌腱放松階段，介電型電活性聚合物存儲的機(jī)械能部分轉(zhuǎn)換為電能；

(4)d點-a點，兩側(cè)電極連接至高電壓φl的電源，則介電型電活性聚合物厚度增大，電荷量逐漸降低至ql，此為放電階段，介電型電活性聚合物存儲的電能減小，并給電源充電。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)作為傳感器的原理為：在電路中接入lcr表，則當(dāng)載荷增大時，肌腱層被拉伸，介電型電活性聚合物厚度減小，兩側(cè)電極之間的間距減小而使得電容增大，通過lcr表則能夠測出電容的變化從而計算出載荷的變化。

通過設(shè)計一定的控制策略和控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的多功能耦合。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)中所有包含的內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比元胞由相同或不同的材料制成，并具有相同或不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和截面。

內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)可制成包括但不僅限于實時可變的緩沖元件、吸能元件、減振元件、彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)、傳感器、致動器和能量回收元件。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。