近日，我校岳曉奎教授團(tuán)隊(duì)在具有抗沖擊特性的靜電驅(qū)動(dòng)器方面取得了重要研究成果。該成果以“2-dimensional impact-damping electrostatic actuators with elastomer-enhanced auxetic structure”為題，發(fā)表在Nature Communications（《自然·通訊》）雜志上。
為了讓仿生機(jī)構(gòu)模擬出自然界生物的行為多樣性，需要設(shè)計(jì)智能化的柔性驅(qū)動(dòng)器，使之能夠高效工作并與動(dòng)態(tài)環(huán)境安全交互。人體肌肉作為此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器的生物學(xué)典范，不僅表現(xiàn)出卓越的驅(qū)動(dòng)性能，還具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性，例如抗沖擊、變剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來(lái)，靜電驅(qū)動(dòng)器在模擬生物肌肉特性時(shí)，往往只追求更高驅(qū)動(dòng)性能，忽視了生物肌肉的良好結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器難以衰減振動(dòng)且易受沖擊損傷，不能很好適用于非結(jié)構(gòu)化和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境，這凸顯了研究抗沖擊靜電驅(qū)動(dòng)器的必要性。
近日，岳曉奎教授團(tuán)隊(duì)的汪雪川副研究員、朱明珠副教授和博士研究生王勇越等研究人員，創(chuàng)造性地提出一類(lèi)可用日常材料快速制造的拉脹靜電驅(qū)動(dòng)器（AELA），提高了驅(qū)動(dòng)器對(duì)沖擊和干擾的恢復(fù)能力。該類(lèi)驅(qū)動(dòng)器具有如下優(yōu)良特性：一是盡管AELA采用的拉脹結(jié)構(gòu)本身是柔性的且容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，但通過(guò)彈性拉伸網(wǎng)絡(luò)的約束，便可以承受重載并在操作中均勻變形。二是該類(lèi)驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)其中梁?jiǎn)卧那屠蠈?shí)現(xiàn)可逆大變形，產(chǎn)生大驅(qū)動(dòng)力和沖程。三是AELA可以通過(guò)其彈性體增強(qiáng)的拉脹結(jié)構(gòu)快速吸收和耗散沖擊能量。四是它具有二維驅(qū)動(dòng)的特性，這為多個(gè)驅(qū)動(dòng)器協(xié)作提供了更大的自由度。
論文中AELA的實(shí)驗(yàn)樣本由PVC、硅油等日常材料制成，在施加電壓時(shí)產(chǎn)生線(xiàn)性收縮，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的收縮力達(dá)15 N，收縮率達(dá)59％，可以在 0.3 秒內(nèi)快速衰減撞擊引起的振動(dòng)并吸收沖擊能量。受到?jīng)_擊時(shí)，該致動(dòng)器可迅速抑制振動(dòng)，其性能優(yōu)于商用減震器及其他靜電驅(qū)動(dòng)器。此外，AELA 易于大規(guī)模制作而不損害其結(jié)構(gòu)完整性，其制造材料多樣且成本低廉。通過(guò)使用更高介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度的涂層電極和電介質(zhì)，可以進(jìn)一步減輕重量、提高性能。利用其二維工作模式和自鎖機(jī)制，文章設(shè)計(jì)了變剛度的柔順機(jī)械臂和主動(dòng)可控的張拉整體結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了該類(lèi)驅(qū)動(dòng)器在仿生機(jī)器人等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51787-8
（文字：航天學(xué)院；審核：秦飛）
