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

背景技術(shù)：

負泊松比(negativepoisson’sratio,npr)結(jié)構(gòu)是一類具有獨特力學性能的新型結(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，因此負泊松比結(jié)構(gòu)能夠更加充分地利用材料的力學性能。負泊松比結(jié)構(gòu)的力學性能與所使用材料的力學特性和結(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。然而當材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，負泊松比結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等基本力學性能也隨之確定，無法同時滿足不同載荷和激勵作用下的性能最優(yōu)。例如在應用于吸能與減振結(jié)構(gòu)時，若施加的載荷較小，負泊松比結(jié)構(gòu)的變形較小無法達到最大的工作行程，使得峰值力無法降低；而當載荷較大時，負泊松比結(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。因此負泊松比結(jié)構(gòu)的吸能和減振性能還存在著進一步提高的空間。而如果負泊松比結(jié)構(gòu)的力學性能實時可變，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)計一種力學性能實時可變的負泊松比結(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能作為過渡實現(xiàn)電能與機械能之間的轉(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)生電致應力，直接實現(xiàn)電能與機械能之間的轉(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，其特點是響應快、變形大(最大面積應變可達380％)、能量密度較大且能量轉(zhuǎn)換效率很高(最高達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用于負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)，通過介電型電活性聚合物的應用實現(xiàn)內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)可變，使內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在不同的電壓激勵下具有不同力學性能，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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)，由內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞陣列而成；

所述內(nèi)凹波浪形負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、右側(cè)骨骼均呈半圓形，其中，左側(cè)骨骼的開口朝左，右側(cè)骨骼的開口朝右；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱均包含依次平滑相連的第一圓弧段、第一直線段、第二圓弧段、第二直線段和第三圓弧段，第一圓弧段、第三圓弧段的朝向和第二圓弧段的朝向相反；

所述上側(cè)肌腱的第二圓弧段的開口朝上，下側(cè)肌腱的第二圓弧段的開口朝下；

所述左側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端相連，右側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端相連；所述左側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端相連，右側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端相連；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的第一圓弧段內(nèi)表面的圓角半徑均和左側(cè)骨骼外表面的圓角半徑相同，上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的第三圓弧段內(nèi)表面的圓角半徑均和右側(cè)骨骼外表面的圓角半徑相同；

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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)進一步的優(yōu)化方案，所述骨骼采用鋼材、合金材料、高分子聚合物、高強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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)進一步的優(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)進一步的優(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)進一步的優(yōu)化方案，所述左側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端、右側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端、左側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端、右側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端均通過膠粘的方式進行連接。

作為本發(fā)明基于介電型電活性聚合物的內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)進一步的優(yōu)化方案，所述上側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端架在左側(cè)骨骼的上端上、上側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端架在右側(cè)骨骼的上端上、左側(cè)骨骼的下端架在下側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端上、右側(cè)骨骼的下端架在下側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端上。

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

(2)當負泊松比結(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)當負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)本身能夠作為傳感器元件；

(2)當負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比元胞的肌腱呈波浪形，與圓錐形的電活性聚合物致動器截面較為類似。此外，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制，能夠使得一個元胞的機電響應可以進行周期性的疊加，從而能滿足更大尺度的結(jié)構(gòu)要求，并且提高機電轉(zhuǎn)換效率。

在單變量的輸入下，內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)主要具有機械變形、充電、機械驅(qū)動和放電等四個相互獨立的機電狀態(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)成一個機電循環(huán)。在某一個特定的機械和電致變形過程中，內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比元胞的二維截面示意圖；

圖2是本發(fā)明中內(nèi)凹波浪形負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)凹波浪形負泊松比元胞的一種三維示意圖；

圖4(a)、圖4(b)分別是內(nèi)凹波浪形負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)示意圖和機電變形示意圖；

圖5是本發(fā)明內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的一種三維示意圖；

圖7是內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中機械力與電場力的關(guān)系；

圖8是內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機電循環(huán)的電壓和電荷變化圖；

圖9是內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機電循環(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用于內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中的肌腱部分，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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行進一步的說明。

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

所述內(nèi)凹波浪形負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、右側(cè)骨骼均呈半圓形，其中，左側(cè)骨骼的開口朝左，右側(cè)骨骼的開口朝右；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱均包含依次平滑相連的第一圓弧段、第一直線段、第二圓弧段、第二直線段和第三圓弧段，第一圓弧段、第三圓弧段的朝向和第二圓弧段的朝向相反；

所述上側(cè)肌腱的第二圓弧段的開口朝上，下側(cè)肌腱的第二圓弧段的開口朝下；

所述左側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端相連，右側(cè)骨骼的上端和上側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端相連；所述左側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第一圓弧段的首端相連，右側(cè)骨骼的下端和下側(cè)肌腱的第三圓弧段的末端相連；

所述上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的第一圓弧段內(nèi)表面的圓角半徑均和左側(cè)骨骼外表面的圓角半徑相同，上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的第三圓弧段內(nèi)表面的圓角半徑均和右側(cè)骨骼外表面的圓角半徑相同；

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)凹波浪形負泊松比元胞的二維截面示意圖，上側(cè)肌腱主要劃分為5個區(qū)域，其中101、103和105區(qū)域為圓弧段，102和104區(qū)域為直線段，并且相鄰區(qū)域的中心線相切，下側(cè)肌腱類似；111區(qū)域為左側(cè)骨骼，112區(qū)域為右側(cè)骨骼，左側(cè)骨骼和右側(cè)骨骼均呈半圓形。

在內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞內(nèi)部，上下側(cè)肌腱與左右側(cè)骨骼分別在左上、右上、左下、右下四端連接，其中101段與111段上端連接，105段與112段上端連接，106段與111段下端連接，110段與112段下端連接。連接方式可以采用膠粘的方式，也可以采用直接接觸的方式，則在豎直壓縮載荷作用下元胞肌腱的101與106段會緊貼在骨骼的111段上，105與110段會緊貼在骨骼的112段上。101段下表面與111段外表面緊緊貼合，則101段下表面圓角半徑與111段外表面圓角半徑保持一致。同理，105段下表面與112段外表面緊緊貼合，則105段下表面圓角半徑與112段外表面圓角半徑保持一致。106段上表面與111段外表面緊緊貼合，則106段上表面圓角半徑與111段外表面圓角半徑保持一致。110段上表面與112段外表面緊緊貼合，則110段上表面圓角半徑與112段外表面圓角半徑保持一致。

內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞中的肌腱斜邊102、104、107和109的長度都可以變?yōu)?，當全部變?yōu)?時，上下側(cè)肌腱全部由圓弧段構(gòu)成；此外，肌腱圓弧段101、103、105、106、108和110的半徑也可以變?yōu)?，當全部變?yōu)?時，上下側(cè)肌腱全部由斜線段構(gòu)成，則骨骼可呈除圓形之外的其他形狀。

內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞中上下側(cè)肌腱部分介電型電活性聚合物的上下表面的柔性電極分別與高壓直流電源113和114的正負極連接，根據(jù)具體需要，電源的電壓可進行調(diào)整，并且可接通或斷開該電路。

圖2展示了內(nèi)凹波浪形負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、右側(cè)骨骼的厚度為tα，上側(cè)肌腱、下側(cè)肌腱的厚度為tβ；肌腱斜邊102與104之間的夾角為β；骨骼111段中心線的半徑為rα1，112段中心線的半徑為rα2；肌腱101段中心線的半徑為rβ1，103段中心線的半徑為rβ2，105段中心線的半徑為rβ3；元胞的有效高度為hc，為肌腱103段中心線底端至肌腱108段中心線頂端之間的距離，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，為元胞最左端至最右端之間的距離，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。

由幾何關(guān)系知rβ1＝rα1+(tα+tβ)/2；rβ3＝rα2+(tα+tβ)/2。若rα1′和rα2′分別為該元胞右上側(cè)元胞骨骼111段中心線的半徑和該元胞左上側(cè)元胞骨骼112段中心線的半徑，則有rα1′＝rα2′＝rβ2-(tα+tβ)/2。

內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞中的骨骼部分由于起到結(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、各類高強度纖維材料等。

圖3展示了內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞的一種三維示意圖，其為內(nèi)凹波浪形負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)凹波浪形負泊松比元胞的肌腱部分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的楊氏模量應當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性能的影響。

圖4(b)展示了介電型電活性聚合物的機電變形示意圖，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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的一種二維截面以及變形示意圖，其中每一層結(jié)構(gòu)中包含的內(nèi)凹波浪形負泊松比元胞個數(shù)定義為橫向元胞數(shù)，即沿x方向的元胞數(shù)；整體內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中包含的層數(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5，縱向元胞數(shù)為9。當內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)負泊松比效應。為了更清晰的展示內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)，圖中省略了電源系統(tǒng)。

在內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其左側(cè)元胞的連接方式為：101段與其左側(cè)元胞的105段直接相連，為一整片材料的不同區(qū)域；106段與其左側(cè)元胞的110段直接連接，為一整片材料的不同區(qū)域；111段與其左側(cè)元胞的112段直接連接，為一整片圓形材料的不同區(qū)域。該元胞與其右側(cè)元胞的連接方式相同。

在內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其左上側(cè)元胞的連接方式為：101段、102段和103段左半部分與其左上側(cè)元胞的108段右半部分、109段和110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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中，某一元胞與其右上側(cè)元胞的連接方式為：103段右半部分、104段和105段與其右上側(cè)元胞的106段、107段和108段左半部分共用邊。該元胞與其左下側(cè)元胞的連接方式相同。

圖6展示了內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的一種三維示意圖，其為內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)，圖中省略了電源系統(tǒng)。

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

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

內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的力學性能實時可變的原理為：當結(jié)構(gòu)連接的電源電壓φ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，這將降低肌腱夾角β，改變了內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；另一方面，電源電壓φ增大時，肌腱材料的剛度降低，改變了內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的材料性能。因此內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在不同電激勵下具有不同的力學性能。

圖7展示了內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中機械力與電場力的關(guān)系。在平衡狀態(tài)，電場力與機械力相等。當結(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械力時，如點1所示，為了達到平衡位置，則機械力持續(xù)增大，介電型電活性聚合物的厚度降低而面積增大，最終達到電場力與機械力的平衡，到達點2，在此過程中，部分電能轉(zhuǎn)換為機械能。另一方面，當結(jié)構(gòu)的載荷和變形發(fā)生變化而使得機械力超過電場力時，如點3所示，為了達到平衡位置，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，最終達到電場力與機械力的平衡，到達點4，在此過程中，部分機械轉(zhuǎn)換為電能。在圖中平衡狀態(tài)曲線的左上方區(qū)域，內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)或傳感器模式下。

內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在作為致動元件時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，其基本原理為：當結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)發(fā)生一定量的位移，達到致動的功能。當結(jié)構(gòu)接入的電源電壓φ以及承受的載荷p不同時，內(nèi)凹波浪形負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在作為能量回收元件時，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。圖8展示了內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)在用作能量回收元件的典型機電循環(huán)的電壓和電荷變化圖，圖9則展示了典型機電循環(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)凹波浪形負泊松比結(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)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)的多功能耦合。

內(nèi)凹波浪形負泊松比結(jié)構(gòu)中所有包含的內(nèi)凹波浪形負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)凹波浪形負泊松比結(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。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應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)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。