由萨尔兰大学的斯特凡·塞莱克教授和保罗·莫茨基教授领导的研究团队正在利用一种比家用保鲜膜厚不了多少的多功能薄膜，赋予物体新的功能，并在过程中节省能源。当应用于可穿戴纺织品时，这种薄膜可以贴合皮肤并产生触觉反馈，使玩家能够感受到纹理、冲击和其他物理感觉，从而增强虚拟现实游戏体验。当这种薄聚合物薄膜集成到工业手套中时，它可以对操作者的手部和手指动作做出反应，使计算机能够“理解”特定的手部动作和手势。将其贴在平面玻璃屏幕顶部，该薄膜可以模拟用户手指下方触摸按钮、开关或滑块的瞬时触感。此外，萨尔兰大学和萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心（ZeMA）的智能材料系统专家们还在开发其他原型产品，例如比传统扬声器能耗低得多的轻型扬声器、新型信号发生器和降噪织物等等。.

但他们是如何让这些薄膜“活”起来的呢？“薄膜的每一面都涂覆了一层导电层，”萨尔兰大学创新生产智能材料系统教授、ZeMA首席科学家兼首席执行官保罗·莫茨基解释道。当研究人员对聚合物薄膜施加电压时，这些导电层会相互吸引，压缩聚合物并使其横向膨胀，从而增加其表面积。“通过改变施加的电场，我们可以控制薄膜的运动，本质上是创造了一种轻巧而高效的致动器，” 莫茨基说道。研究人员能够精确控制这些被称为介电弹性体（DE）的涂层薄膜的运动，并使其进行缓慢或快速的弯曲运动，或以所需的频率振动。他们还可以使薄膜保持固定的静止状态，而无需持续供电。

利用这些电活性聚合物薄膜，研究团队正在开发无需额外传感器即可控制的新型驱动系统（致动器）。“我们可以为薄膜的每一次形变或位置变化赋予一个精确的电容值。电容数据可以显示薄膜的形变情况，例如，当用手指抚摸或轻敲薄膜时。这些介电弹性体薄膜具有自敏性，可以作为自身的位移传感器，”Paul Motzki解释道。测量数据还用于训练人工智能模型，使研究人员能够对薄膜的运动进行编程，使其弯曲、保持所需形状或以所需频率振荡。.

萨尔布吕肯的研究团队正将这些介电弹性体（DE）致动器提升到一个新的水平，并开辟一系列全新的应用领域。新一代薄膜的控制精度更高，振动频率也更高。该团队的目标之一是使这些柔性薄膜能够在超声波频率下振荡。一项名为TransDES（基于柔性介电弹性体的晶体管结构）的新项目，由萨尔州政府通过欧盟欧洲区域发展基金（ERDF）资助，旨在通过开发用于高压应用的弹性体电路，开辟新的领域。印刷电路板（PCB）广泛应用于大多数电子设备中。无论是搅拌机还是智能手机，控制这些设备的电路通常都焊接在扁平的刚性PCB上。萨尔布吕肯的研究团队正致力于开发轻质柔性PCB，使其未来能够作为传统PCB的低成本柔性替代品。萨尔布吕肯正在开发的柔性电路还将集成微型致动器和传感器。.

TransDES项目是ZeMA的Paul Motzki团队与萨尔应用科技大学（htw saar）的John Heppe教授团队合作开展的项目。这项在萨尔州开发的技术在世界范围内独一无二，其核心在于制造具有新型电极层的弹性体薄膜。.

以往，导电层是通过丝网印刷工艺，将非晶碳粉（“炭黑”）涂覆在聚合物薄膜的上下表面制成的。然而，炭黑层的电阻约为10000欧姆，如果薄膜要在超声频率范围内振动，这个电阻值就太高了。.

研究人员用超薄、导电性更强的金属涂层取代了炭黑层，旨在制造一种能够以超快速度开关的介电弹性体驱动器。 “这将使我们能够从薄膜中获得更好的性能，” 博士生塞巴斯蒂安·格拉茨-凯利解释说，“即使在极高的频率下，我们也能控制薄膜的整个表面，而不仅仅是部分区域。”此外，这种新型超薄金属涂层还意味着薄膜驱动器的能量效率更高，功率损耗更低，部分原因是导线和薄膜之间的接触电阻降低。“我们还使用了一种特殊的激光技术，可以在涂层内实现更小的结构尺寸，”格拉茨-凯利解释说。“以前，当我们使用丝网印刷时，电极之间的距离约为一厘米。现在，电极之间的间隙只有几微米。这使得我们能够设计柔性弹性电路，”莫茨基教授补充道。

挑战在于，整层薄膜必须承受显著的拉伸，但新型金属涂层却阻碍了薄膜的形变。约翰·赫佩（John Heppe）的团队正是在此发挥作用。赫佩是萨尔应用技术大学（htw saar）物理传感器技术与机电一体化专业的教授，同时也是ZeMA公司研究小组的负责人。这两所大学正携手合作，将研究成果转化为实用的工业和商业解决方案。为了平衡固体金属导电层和柔性聚合物基底的特性，赫佩的团队采用了一种特殊的工艺将金属层沉积到弹性体上。 “我们使用了一种称为溅射的材料沉积技术。沉积在弹性体表面的导电层只有十纳米厚——比人类头发丝还要细一千多倍，”约翰·赫佩团队的研究科学家马里奥·切里诺（Mario Cerino）说道。

该团队的“诀窍”是在沉积超薄金属层之前先拉伸弹性体。任何曾经把胶带贴在充气气球上的人都会明白其中的原理。当气球放气时，胶带会起皱。弹性体薄膜也会发生同样的情况。当弹性体松弛时，金属层会收缩，形成褶皱。 “通过这种方法，我们在每平方厘米的面积上实现了50到100欧姆的电阻，这比以前显著降低了，”马里奥·切里诺说道。

目前，研究人员正利用金属涂层薄膜开发节能且经济高效的硅晶体管。晶体管是一种电子元件，可用于开关或放大电压和信号。但在此案例中，该团队希望开发出能够切换高电压的薄膜晶体管。 “通过降低电阻，我们可以让更多电流通过，就像厨房水龙头开得越大，流出的水就越多一样。这使我们能够以极短的周期时间实现高压开关，可用于控制阀门、泵或扬声器，”马里奥·切里诺解释道。 “我们利用了这些系统的一个特殊性质，”约翰·赫佩教授解释说。 “如果金属涂层薄膜的拉伸程度超过溅射过程中的拉伸程度，电极层中就会出现裂纹，导致电阻大幅增加。因此，如果我们拉伸薄膜，就会出现裂纹。如果我们让薄膜松弛，裂纹就会再次闭合，褶皱结构也会恢复原状。” “这使我们能够从非常低的电阻到非常高的电阻，相当于使用晶体管作为电开关，” 赫佩教授解释说。

该技术演示展示了一种新型传感器元件，该元件采用金属涂层薄膜制成，并安装在纺织腕带上。这种可穿戴触摸面板是一种触敏织物表面，能够识别在其上绘制的形状。当用户用手指在这种智能织物上滑动时，系统会记录手指的压力和移动方向。然后，集成的先进机器学习算法使系统能够识别所绘制的字母或图案。.

位于萨尔布吕肯的智能材料系统专家还将展示其他利用这些带有自身传感器的介电弹性体的创新发展成果，例如提供触觉反馈的智能纺织品和致动器、节能阀门和泵以及高性能致动器。.

萨尔州政府正通过州财政拨款和欧洲区域发展基金（ERDF）资助TransDES项目，资金约为50万欧元。
请阅读该团队的最新出版物：https://doi.org/10.3390/ma17235993

背景：
介电弹性体技术正由博士生在Stefan Seelecke教授、Paul Motzki教授和John Heppe教授的指导下，作为博士论文项目的一部分进行深入研究。研究成果已发表在多家科学期刊上。该研究也获得了众多机构的资助。欧盟通过玛丽·居里研究基金提供资助，德国研究基金会（DFG）通过其SPP KOMMMA优先项目提供资助。萨尔州政府通过FEDER iSMAT和Multi-Immerse项目提供财政支持，萨尔州冶金和电气工业协会（ME Saar）也资助了一项博士研究项目。为了促进智能材料技术向商业和工业领域的转化，研究人员成立了mateligent GmbH公司，该公司也将参加今年的汉诺威工业博览会，并在同一展位参展。