基于介电弹性体材料的人造关节上下弯曲的新振荡现象揭示了该材料在制作软性机器人方面的潜力, 比如可用来制作轻巧, 节能的机器翅膀

文字说明: (左)转动关节的结构。(右)用来测量关节转动的系统。

资料来源: Jianwen Zhao/Harbin Institute of Technology in Weihai, University of California-Los Angeles

介电弹性体是一种新型材料, 它能够用来制作柔软, 轻巧,  具有高能量转换效率的促动器或发动机, 且可以承受很大程度的弹性变形。科学家们由此对它青睐有加, 热衷于用它制作机器手, 软性机器人, 可调镜头, 气动阀门--还有会扇动的机器翅膀。

最近发表在美国物理联合会《应用物理快报》的一篇研究文章中,  来自中国哈尔滨工业大学威海分校和美国加州大学洛杉矶分校的研究者们阐述了他们在介电弹性体中发现的一个新的共振现象：基于介电弹性体材料的人造关节能够实现负角度弯曲, 即能够上下扇动, 如鸟类的翅膀。

“介电弹性体是一种加上电压即可出现形变的电激活聚合物, ”哈尔宾工业大学机械电子工程系副教授赵建文说。他解释到以往的研究者们通常用稳定电压激活人造关节的运动以研究其运动规律, 稳定电压只能使人造关节弯曲在某一个固定的角度, 而他们则想了解人造关节在周期性变化的交变电压中是如何运动的。

“我们发现交变电压可以使人造关节在不同的角度连续弯曲。尤其, 当人造关节的转动惯量或者所施电压大到一定程度时,  关节可以实现负角度弯曲, 也就是大于90度角至180度的弯曲, 同时也将遵循一种不同于常规振动的特殊规律。”

赵教授说, 这种新的现象使介电弹性关节成为制作轻软型机器翅膀的候选材料。介电弹性材料的发动机比电力发动机有着更高的能量转换率(60%到90%的能量转换), 因此这样的人造翅膀要比电力翅膀更有效率。

像肌肉一样的发动机

相比基于坚硬材料的传统机器人, 软性机器人有很多有优点, 如更安全的人机接触, 更有效稳定的移动和高适应性的弹性形变。介电弹性材料因其柔软轻质的内在特点和优秀的电动机械性能, 而被认为是最接近人类肌肉的材料, 近几年广受软性科技科学家们的青睐。

在两个柔韧电极之间加入软性绝缘弹性材料片就组成了介电弹性材料, 当电压加载两个电极之间时,  该介电材料被挤压变形从而向两边伸展。不同于基于硬质如硅材料的促动器, 介电弹性材料可能实现很大程度的变形, 通常情况下能够伸展一倍的长度而不会断裂, 为软性机器人技术, 可调光学器件和细胞操作等领域的发展提供了很多新的可能性。

赵教授的实验中所用的介电弹性材料促动器被称为“介电弹性材料最低能态结构”, 是将一块拉伸的介电弹性材料膜贴在一个薄而有弹性的框架中而制成。粘贴过后, 延展的介电材料会自然收缩, 其收缩力会使框架自然弯曲, 最终达到一个能量最低的平衡状态。

当对介电弹性材料施加几千伏的低电流时,  框架会随着介电材料的伸展而伸展, 从而使弯曲的角度逐渐变小。为了让框架只让其沿着一个轴伸缩弯曲, 研究者们将两块硬质的框架固定在主框架的两边, 整个系统于是就形成了可转动的人造关节。动态地改变施加的电压会动态地改变关节转动的角度, 这一特点使该结构成为了制作软性器材的一种有效结构。

一种新的振动现象

在赵教授的实验中, 研究者们用交变方波电压激励人造关节的转动。交变方波是一种周期性开启关闭的电压, 它不同于以往的科学家“常用稳定电压来研究人造关节的运动。”

“交变电压的优点在于它能够在不同电压值之间切换, 从而使得人造关节得以连续地转动弯曲。”赵教授说。

新的实践也带来了新的结果。通过在实验测试不同的参数,  如调整所加电压值和频率, 改变人造关节的质量,  赵和他的同事们发现了一个新的振动现象：当人造关节的转动惯量或者所施加的电压大到一定程度的时候,  它能够实现超过90度的负角度弯曲, 如鸟类的翅膀一样上下扇动。

“实现负角度弯曲时,  人造关节的运动变得更加复杂, 所遵循的振动规律也和常规不同, 我们称之为非线性振荡。”赵说。

在常规振动中, 关节的弯曲振动总是紧跟所施电压的频率, 当电压频率和自身的频率相同时, 达到最大的弯曲程度。而在非线性振荡中, 只有当电压频率接近且略小于两倍的人造关节本征频率时, 关节才能达到其最大的弯曲角度。同时, 在非线性振荡中, 人造关节振荡的幅度也大于常规振荡时的情况, 这也暗示着在这种特殊的振荡中, 人造关节能够产生更大的牵引拉力。

赵教授强调说, 这一新现象和其规律为实现很多新型的软材料器件提供了可能性, 如用来制造对环境和承重有特殊要求的轻软性机器人, 可以产生很大牵引力的软性机器翅膀等等。另外, 这种介电弹性材料同时还具有着很高的能量密度(比一般电磁促动器高70倍)和高转换效率(60%到90%), 因此也是制作各种节能器件的绝佳选择, 赵教授说。

研究者们下一步的计划是改进介电弹性材料关节的功能, 改善制作生产技术, 从而制作出一只真正的机器翅膀。

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Jianwen Zhao, Junyang Niu, David McCoul, Zhi Ren and Qibing Pei. Phenomena of nonlinear oscillation and special resonance of a dielectric elastomer minimum energy structure rotary joint. Appl. Phys. Lett. 106, 133504 (2015)

原文链接： http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/106/13/10.1063/1.4915108

新闻来源：http://chinese.eurekalert.org/zh/pub_releases/2015-04/aiop-ser040815.php