【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-力耦合機制，具有雙自由度、緊湊仿生拮抗機構(gòu)、高功率密度與高機電效率等特點，并利用驅(qū)動器自身彈性、柔性(非接觸式諧振)耦合等特點實現(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。軟體機器人由軟材料構(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器人。然而由于缺乏可用于氣動軟體機器人的軟體氣泵，導(dǎo)致現(xiàn)如今的氣動軟體機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)程特種機器人。因此氣動型軟體機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，并且需具有可擴展性好、能適用于不同尺度的軟體機器人的結(jié)構(gòu)特點。在功能上，需具有流速快、輸出氣壓大等特點。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現(xiàn)高頻共振、提高輸出性能這一共振機制無法實現(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，但是因為第二片DEA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驗條件下的。
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)動器實物圖。(c)驅(qū)動器工作機理。
為了對MCDEA氣泵做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并驗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，理論與實驗結(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)將在未來運用在介入和自然腔道手術(shù)機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)機械學(xué)院副教授李博的幫助，并得到國家自然基金重點項目(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)與工程實驗室等資助。
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