【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】日前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)療機(jī)器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心副研究員高興團(tuán)隊研發(fā)出新型磁斥力非接觸式諧振耦合雙錐體介電彈性體驅(qū)動器(Magnetically Coupled Dielectric Elastomer Actuator，MCDEA)，該軟體驅(qū)動器采用新型電-磁-力耦合機(jī)制，具有雙自由度、緊湊仿生拮抗機(jī)構(gòu)、高功率密度與高機(jī)電效率等特點(diǎn)，并利用驅(qū)動器自身彈性、柔性(非接觸式諧振)耦合等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)共振驅(qū)動，解決了軟體驅(qū)動器在高阻尼負(fù)載條件下功率輸出大幅減少的關(guān)鍵問題。相關(guān)研究成果相繼在線發(fā)表于Applied Physics Letters、Advanced Materials Technologies 和Physical Review Applied。團(tuán)隊中曹崇景為系列論文作者，高興為通訊作者。
 

　　軟體機(jī)器人因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)與環(huán)境順應(yīng)性在近10年來成為研究熱點(diǎn)。軟體機(jī)器人由軟材料構(gòu)成，能夠通過自身形變自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的未知環(huán)境，已在醫(yī)療、偵察、救災(zāi)等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。氣動型軟體機(jī)器人是發(fā)展較為成熟且應(yīng)用面較為廣泛的一類軟體機(jī)器人。然而由于缺乏可用于氣動軟體機(jī)器人的軟體氣泵，導(dǎo)致現(xiàn)如今的氣動軟體機(jī)器人通常需要通過軟管連接較大的外部氣壓控制系統(tǒng)進(jìn)行操控，限制了其在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景，如遠(yuǎn)程特種機(jī)器人。因此氣動型軟體機(jī)器人的動力源問題一直困擾著研究人員。
 

　　由于嵌入式剛性驅(qū)動氣泵將使軟體機(jī)器人損失一定柔順性，所以軟體氣泵需由軟體驅(qū)動器構(gòu)成，并且需具有可擴(kuò)展性好、能適用于不同尺度的軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在功能上，需具有流速快、輸出氣壓大等特點(diǎn)。介電彈性體驅(qū)動器(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)是一種新型的軟體驅(qū)動器，其可擴(kuò)展性好，輸出性能好且穩(wěn)定易于控制。DEA由一片介電薄膜與兩側(cè)柔性電極構(gòu)成，如圖1.(a)所示。當(dāng)對兩側(cè)柔性電極施加一定電勢差時，產(chǎn)生的Maxwell應(yīng)力擠壓薄膜，使薄膜厚度減小的同時平面內(nèi)面積增大(圖1.(b))。此軟體驅(qū)動原理使介電彈性體既能作為封閉泵腔體的薄膜，又能作為泵的動力源，地適用于薄膜型流體泵的驅(qū)動器。然而，這種設(shè)計也帶來了新的問題，由于介電彈性體直接對壓縮空氣做功，壓縮空氣的阻尼效應(yīng)大大降低了泵的流速、氣壓與能量轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵輸出性能。這種影響在高頻驅(qū)動下尤為顯著，也使得利用薄膜彈性實(shí)現(xiàn)高頻共振、提高輸出性能這一共振機(jī)制無法實(shí)現(xiàn)。
 

圖1. 介電彈性體驅(qū)動器(a)組成和(b)驅(qū)動方式。
 

　　為解決此難題，高興提出雙錐形DEA的電-磁-力柔性(非接觸式)耦合機(jī)理，由曹崇景研發(fā)出新型磁斥力柔性耦合雙錐體介電彈性體驅(qū)動器(MCDEA，Applied Physics Letters；doi.org/10.1063/1.5071439)。如圖2所示，MCDEA由兩片平面圓形DEA通過磁斥力柔性耦合而成。與剛性耦合的雙錐形DEA相比，柔性耦合能為系統(tǒng)增加一個額外自由度，使兩片DEA能夠獨(dú)立驅(qū)動又通過磁斥力耦合。可降低載荷的阻尼作用對柔性驅(qū)動器的影響：即使其中一片DEA受到載荷的阻尼作用無法在固有頻率共振以提高輸出性能，但是因?yàn)榈诙珼EA不直接與載荷接觸，所以不受阻尼作用依然能夠共振再通過柔性耦合對片DEA做功。利用此核心優(yōu)勢，研發(fā)了可用于軟體機(jī)器人的柔性驅(qū)動氣泵誕生。MCDEA氣泵利用共振原理，極大地提高了泵輸出性能與效率。通過測量，代小型氣泵能夠產(chǎn)生的流速與42.5 mBar的輸出氣壓，均為在同等功率與實(shí)驗(yàn)條件下的。
 

　　圖2.(a)磁斥力柔性耦合雙錐體介電彈性體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)組成。(b)驅(qū)動器實(shí)物圖。(c)驅(qū)動器工作機(jī)理。
 

　　為了對MCDEA氣泵做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并驗(yàn)證柔性耦合氣泵的輸出性能為現(xiàn)如今軟體流體泵的以及揭示更多應(yīng)用前景，團(tuán)隊進(jìn)行動力學(xué)模型分析，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到95%以上的度。如圖3所示。該研究將復(fù)雜的非線性MCDEA系統(tǒng)簡化為三彈簧與兩質(zhì)量的經(jīng)典動力學(xué)模型，并使用Gent模型描述介電彈性體的超彈性力，以及Kelvin-Voigt模型描述薄膜與柔性電極的粘彈性力。在此理論模型的指導(dǎo)下，一些新的現(xiàn)象將有望進(jìn)行新的探索與應(yīng)用：通過調(diào)整激勵電壓信號控制兩片DEA的輸出相位差，由此開發(fā)出新型通過控制相位差的高頻振動控制策略；通過控制激勵信號的頻率差產(chǎn)生可控和聲共振，可用于復(fù)雜系統(tǒng)的減震以及聲學(xué)應(yīng)用中。該電-磁-力耦合技術(shù)將在未來運(yùn)用在介入和自然腔道手術(shù)機(jī)器人中并起到顛覆性作用。
 

圖3. MCDEA的非線性動力學(xué)模型與新型高頻振動控制策略
 

　　該研究工作得到深圳先進(jìn)院微創(chuàng)中心研究員王磊的指導(dǎo)，以及布里斯托大學(xué)博士Tom Hill、Andrew Conn、西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授李博的幫助，并得到國家自然基金重點(diǎn)項目(U1713219)、國家自然基金(91748124)與深圳市介入診療一體化關(guān)鍵技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室等資助。