科研進展

深圳先進院研發出新型磁斥力非接觸式諧振耦合雙錐體介電彈性體驅動器

  

  日前,中國科學院深圳先進技術研究院醫療機器人與微創手術器械研究中心高興副研究員團隊研發出新型磁斥力非接觸式諧振耦合耦合雙錐體介電彈性體驅動器(Magnetically Coupled Dielectric Elastomer Actuator,MCDEA),該軟體驅動器采用新型電-磁-力耦合機制,具有雙自由度、緊湊仿生拮抗機構、高功率密度與高機電效率等特點,并利用驅動器自身彈性、柔性(非接觸式諧振)耦合等特點實現共振驅動,解決了軟體驅動器在高阻尼負載條件下功率輸出大幅減少的關鍵問題。相關研究成果相繼在線發表于權威期刊Applied Physics Letters、Advanced Materials Technologies 和Physical Review Applied 。團隊中曹崇景博士為系列論文第一作者,高興副研究員為通訊作者。

  軟體機器人因其優越的結構與環境順應性在近10年來成為國際研究熱點。軟體機器人由軟材料構成,能夠通過自身形變自適應非結構化的未知環境,已在醫療、偵察、救災等諸多領域展現出廣闊的應用前景。氣動型軟體機器人是發展較為成熟且應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,導致現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進行操控,限制了其在諸多領域的應用前景,如遠程特種機器人。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動器構成,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構特點。在功能上,需具有流速快、輸出氣壓大等特點。介電彈性體驅動器(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)是一種新型的軟體驅動器,其可擴展性好,輸出性能好且穩定易于控制。DEA由一片介電薄膜與兩側柔性電極構成,如圖1.(a)所示。當對兩側柔性電極施加一定電勢差時(70V/μm),產生的Maxwell應力擠壓薄膜,使薄膜厚度減小的同時平面內面積增大(圖1.(b))。此軟體驅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,完美地適用于薄膜型流體泵的驅動器。然而,這種設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大大降低了泵的流速、氣壓與能量轉換效率等關鍵輸出性能。這種影響在高頻驅動下尤為顯著,也使得利用薄膜彈性實現高頻共振、提高輸出性能這一共振機制無法實現。    

  

1. 介電彈性體驅動器(a)組成和(b)驅動方式。 

  為解決此難題,高興副研究員首次提出雙錐形DEA的電--力柔性(非接觸式)耦合機理,由曹崇景博士研發出新型磁斥力柔性耦合雙錐體介電彈性體驅動器(MCDEAApplied Physics Lettersdoi.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,柔性耦合能為系統增加一個額外自由度,使兩片DEA能夠獨立驅動又通過磁斥力耦合。可最大程度降低載荷的阻尼作用對柔性驅動器的影響: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第一片DEA做功。利用此核心優勢,研發了可用于軟體機器人的柔性驅動氣泵誕生(Advanced Materials Technologiesdoi:10.1002/admt.201900128,期刊封面,圖3)。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,第一代小型氣泵能夠產生1L/min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最優。 

2.a)磁斥力柔性耦合雙錐體介電彈性體驅動器結構組成。(b)驅動器實物圖。(c)驅動器工作機理。 

3.首款利用介電彈性器共振機制驅動的柔性氣泵,被選為20198月的AMT期刊主封面。 

  為了對MCDEA氣泵做結構優化,并驗證柔性耦合氣泵的輸出性能為現如今軟體流體泵的最優以及揭示更多應用前景,團隊進行動力學模型分析(Physical Review Applieddoi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.044033),理論與實驗結果達到95%以上的精確度。如圖4所示。該研究將復雜的非線性MCDEA系統簡化為三彈簧與兩質量的經典動力學模型,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下,一些新的現象將有望進行新的探索與應用:通過調整激勵電壓信號控制兩片DEA的輸出相位差,由此開發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生可控和聲共振,可用于復雜系統的減震以及聲學應用中。該電--力耦合技術將在未來運用在介入和自然腔道手術機器人中并起到顛覆性作用。 

4. MCDEA的非線性動力學模型與新型高頻振動控制策略 

  該研究工作得到深圳先進院微創中心王磊研究員的指導,以及布里斯托大學Tom Hill博士、Andrew Conn博士、西安交通大學機械學院李博副教授的幫助,并得到國自然重點(U1713219)、國自然基金(91748124)與深圳市介入診療一體化關鍵技術與工程實驗室等項目資助。 

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