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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

2019-10-21 深圳先進技術研究院
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  日前,中國科學院深圳先進技術研究院医疗机器人与微创手术器械研究中心副研究员高兴团队研发出新型磁斥力非接触式谐振耦合双锥体介电弹性体驱动器(Magnetically Coupled Dielectric Elastomer Actuator,MCDEA),该软体驱动器采用新型电-磁-力耦合机制,具有双自由度、紧凑仿生拮抗机构、高功率密度与高机电效率等特点,并利用驱动器自身弹性、柔性(非接触式谐振)耦合等特点实现共振驱动,解决了软体驱动器在高阻尼负载条件下功率输出大幅减少的关键问题。相关研究成果相继在线发表于Applied Physics LettersAdvanced Materials TechnologiesPhysical Review Applied。团队中曹崇景为系列論文第一作者,高兴为通讯作者。

  軟體機器人因其優越的結構與環境順應性在近10年來成爲國際研究熱點。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爲成熟且應用面較爲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。

  由于嵌入式刚性驱动气泵将使软体机器人损失一定柔顺性,所以软体气泵需由软体驱动器构成,并且需具有可扩展性好、能适用于不同尺度的软体机器人的结构特点。在功能上,需具有流速快、输出气压大等特点。介电弹性体驱动器(Dielectric Elastomer Actuator, DEA)是一种新型的软体驱动器,其可扩展性好,输出性能好且稳定易于控制。DEA由一片介电薄膜与两侧柔性电极构成,如图1.(a)所示。当对两侧柔性电极施加一定电势差时,产生的Maxwell应力挤压薄膜,使薄膜厚度减小的同时平面内面积增大(图1.(b))。此软体驱动原理使介电弹性体既能作为封闭泵腔体的薄膜,又能作为泵的动力源,完美地适用于薄膜型流体泵的驱动器。然而,这种设计也带来了新的问题,由于介电弹性体直接对压缩空气做功,压缩空气的阻尼效应大大降低了泵的流速、气压与能量转换效率等关键输出性能。这种影响在高频驱动下尤为显著,也使得利用薄膜弹性实现高频共振、提高输出性能这一共振机制无法实现。

  爲解決此難題,高興首次提出雙錐形DEA的電-磁-力柔性(非接觸式)耦合機理,由曹崇景研發出新型磁斥力柔性耦合雙錐體介電彈性體驅動器(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,柔性耦合能爲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,但是因爲第二片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 Technologies;doi:10.1002/admt.201900128,期刊封面,图3)。MCDEA气泵利用共振原理,极大地提高了泵输出性能与效率。通过测量,第一代小型气泵能够产生的流速与42.5 mBar的输出气压,均为在同等功率与实验条件下的最优。

  爲了對MCDEA氣泵做結構優化,並驗證柔性耦合氣泵的輸出性能爲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 Applied;doi.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。該研究將複雜的非線性MCDEA系統簡化爲三彈簧與兩質量的經典動力學模型,並使用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産生可控和聲共振,可用于複雜系統的減震以及聲學應用中。該電-磁-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並起到顛覆性作用。

  该研究工作得到深圳先进院微创中心研究员王磊的指导,以及布里斯托大学博士Tom Hill、Andrew Conn、西安交通大学机械学院副教授李博的帮助,并得到国家自然基金重点项目(U1713219)、国家自然基金(91748124)与深圳市介入诊疗一体化关键技术与工程实验室等资助。

图1. 介电弹性体驱动器(a)组成和(b)驱动方式。

圖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。

圖3.首款利用介電彈性器共振機制驅動的柔性氣泵,被選爲2019年8月的AMT期刊主封面。

图4. MCDEA的非线性动力学模型与新型高频振动控制策略

打印 責任編輯:葉瑞優

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