高壓放大器在介電彈性體研究中扮演著非常重要的角色，它如同整個實驗系統(tǒng)的“能量引擎”，負責將微弱的控制信號精確放大至驅(qū)動介電彈性體形變所需的高壓電場，是連接控制指令與物理形變的關(guān)鍵橋梁。

圖：機器人研究實驗框圖

一、高壓放大器在介電彈性體研究中的核心作用

介電彈性體是一種能夠在電場作用下發(fā)生大幅度形變的電活性聚合物材料，其工作原理主要基于壓電效應和介電特性。當在其兩側(cè)的柔性電極上施加高壓時，產(chǎn)生的麥克斯韋應力會使其厚度減小、面積擴張，從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

在此過程中，高壓放大器承擔著至關(guān)重要的任務(wù)：

提供高壓驅(qū)動信號：介電彈性體通常需要數(shù)千伏每毫米（kV/mm）的電場強度才能產(chǎn)生顯著的形變。高壓放大器能將信號發(fā)生器產(chǎn)生的低壓信號（通常為幾伏）無失真地放大至數(shù)千伏甚至上萬伏，以滿足驅(qū)動要求。

確保波形精確與穩(wěn)定：介電彈性體的形變響應與驅(qū)動信號的頻率、幅值和波形密切相關(guān)。高性能高壓放大器能提供低失真、高穩(wěn)定性的放大信號，確保實驗的可重復性和數(shù)據(jù)的準確性。

賦能復雜實驗場景：從靜態(tài)位移控制到動態(tài)振動模擬，高壓放大器能夠復現(xiàn)各種復雜的驅(qū)動波形（如正弦波、方波、三角波等），為研究介電彈性體在不同工況下的響應提供了可能。

二、高壓放大器在介電彈性體研究中的典型應用

1.基礎(chǔ)驅(qū)動與性能表征

這是高壓放大器在介電彈性體研究中最基礎(chǔ)的應用，旨在評估材料的基本驅(qū)動性能。

實驗系統(tǒng)構(gòu)成：計算機/信號發(fā)生器、高壓放大器(如ATA-7000系列)介、電彈性體試件、形變測量裝置（如激光位移傳感器）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

實驗過程與結(jié)果：

通過計算機或信號發(fā)生器產(chǎn)生一個低壓正弦波信號（例如0-3V，10Hz），該信號經(jīng)由高壓放大器放大（例如放大至0500V）后，施加到介電彈性體兩側(cè)的柔性電極上。利用激光傳感器等設(shè)備實時捕捉并記錄材料的形變量。通過分析驅(qū)動電壓與形變的關(guān)系，可以計算出材料的關(guān)鍵性能指標，如電致應變（可達13.19%甚至更高）和電機械靈敏度（可達普通材料的17.36倍）。

圖：硅橡膠介電彈性體材料伸縮控制系統(tǒng)

2.新型材料研究與性能優(yōu)化

在開發(fā)新型介電彈性體材料時，高壓放大器是評估其驅(qū)動性能的關(guān)鍵設(shè)備。

實驗名稱：高極化性小分子摻雜硅橡膠

研究目的：通過在硅橡膠中引入高極化性小分子（如丙烯腈），提升其介電性能和驅(qū)動應變。

高壓放大器的作用：提供穩(wěn)定的高壓電場，用于精確測量改性后材料在35.3kV/mm電場下的驅(qū)動應變（達13.19%），并驗證其電機械靈敏度的提升倍數(shù)。

圖：驅(qū)動介電彈性體機器人

3.仿生軟體機器人驅(qū)動

介電彈性體在仿生軟體機器人領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，高壓放大器則為這些機器人提供“肌肉”的驅(qū)動力。

應用實例：

基于介電彈性體最小能量結(jié)構(gòu)（DEMES）的柔性驅(qū)動器，可用于模擬昆蟲翅膀或魚類游動的波動推進器。將多個介電彈性體致動器以串聯(lián)（放大位移）或并聯(lián)（放大出力）的方式組合，可以構(gòu)建出更復雜的機器人關(guān)節(jié)或靈巧手。

高壓放大器的角色：

通過多通道輸出或外部電路切換，按需、時序性地為不同的介電彈性體“肌肉”施加高壓信號，驅(qū)動機器人完成復雜的仿生運動。

圖：ATA-7000系列高壓放大器指標參數(shù)

高壓放大器在介電彈性體研究中遠不止一個簡單的“功率放大”單元，它是貫通電-機械能轉(zhuǎn)換的橋梁，是探索材料性能、實現(xiàn)仿生驅(qū)動、賦能醫(yī)療應用的核心驅(qū)動引擎。其輸出的精度、穩(wěn)定性和功率能力，直接決定了介電彈性體從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應用的深度和廣度。

審核編輯 黃宇