合肥工業(yè)大學(xué)在柔性智能驅(qū)動(dòng)器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展

 

　　能夠持續(xù)輸出機(jī)械能的自振蕩運(yùn)動(dòng)在生物活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，這啟發(fā)了人們利用自振蕩來(lái)設(shè)計(jì)新型柔性仿生機(jī)器人。基于自振蕩運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人可以進(jìn)行爬行、游泳等仿生運(yùn)動(dòng)，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的性能和多樣性。然而，當(dāng)前的自振蕩驅(qū)動(dòng)器大多需要精確控制外部刺激能量。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性高的自振蕩驅(qū)動(dòng)器，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
 

　　海豹能在水下和地面運(yùn)動(dòng)。在水下，海豹主要依靠擺動(dòng)后鰭來(lái)提供向前推力，并通過(guò)拍打前鰭來(lái)改變運(yùn)動(dòng)方向。相比之下，海豹在陸地上則主要通過(guò)自身的背腹起伏向前移動(dòng)。由于缺乏后鰭連續(xù)拍打所提供的推力，海豹在地面上的移動(dòng)速度相對(duì)較慢。受海豹兩種運(yùn)動(dòng)模式的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿海豹柔性機(jī)器人。該機(jī)器人包含兩個(gè)部分：(1)模擬海豹后鰭的石墨烯振蕩器，在直流電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生連續(xù)拍打動(dòng)作，為運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力；(2)兩側(cè)安裝柔性光驅(qū)動(dòng)器，模擬海豹的前鰭用于調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向。
 

　　圖1 (a)海豹在水中和地面的兩種運(yùn)動(dòng)模式；(b)仿海豹運(yùn)動(dòng)的電/光驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人
 

　　該石墨烯振蕩器為懸臂梁結(jié)構(gòu)，放置在兩平行板電極之間，一端固定，另一端自由懸掛。在電極之間施加360V的直流電壓(電場(chǎng)強(qiáng)度為24 V mm−1)，石墨烯薄膜在兩電極之間產(chǎn)生了持續(xù)的彎曲振蕩。其振蕩運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制歸因于靜電感應(yīng)效應(yīng)，以及荷電極性變化引起的靜電力方向變化。振蕩運(yùn)動(dòng)的頻率可通過(guò)施加的電壓來(lái)控制，在100Vmm−1的電場(chǎng)強(qiáng)度下，振蕩頻率可達(dá)10.8 Hz。
 

圖2 靜電驅(qū)動(dòng)的石墨烯振蕩器及其性能
 

　　基于石墨烯振蕩器在直流電場(chǎng)下的持續(xù)振蕩運(yùn)動(dòng)特性，可用來(lái)構(gòu)建一種新型的電-機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)。通過(guò)模仿海豹在水里和地面上的運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可以在電場(chǎng)下自主移動(dòng)的仿海豹柔性機(jī)器人。該機(jī)器人以石墨烯振蕩器作為后鰭，聚酰亞胺(PI)薄膜為身體。石墨烯振蕩器產(chǎn)生的振蕩運(yùn)動(dòng)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供了持續(xù)的機(jī)械動(dòng)力，半圓形PI身體為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供了支撐點(diǎn)，并減少了機(jī)器人與地面之間的摩擦。與海豹在水下通過(guò)擺動(dòng)后鰭向前移動(dòng)類似，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，仿海豹機(jī)器人可以通過(guò)石墨烯振蕩器的往復(fù)振蕩在電極板上實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。在30秒內(nèi)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)了約49mm距離。該仿海豹機(jī)器人還可以攜帶一個(gè)約為自重5.2倍(44.6mg)的物體向前運(yùn)動(dòng)。這表明了該機(jī)器人在特殊場(chǎng)景中的潛在應(yīng)用，如在狹窄的帶電環(huán)境中運(yùn)輸物體、檢測(cè)等。
 

　　圖3 以石墨烯振蕩器為馬達(dá)的仿海豹機(jī)器人在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下自主爬行運(yùn)動(dòng)，及攜帶物體運(yùn)動(dòng)
 

　　通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械振蕩運(yùn)動(dòng)，可以初步實(shí)現(xiàn)仿海豹機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)。然而，僅靠振蕩運(yùn)動(dòng)很難控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。因此，進(jìn)一步引入能產(chǎn)生可逆變形的柔性驅(qū)動(dòng)器作為仿生前鰭，來(lái)控制運(yùn)動(dòng)的方向。為了減少仿生前鰭的加入對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的影響，選擇了能遠(yuǎn)程操控的光驅(qū)動(dòng)器來(lái)構(gòu)建仿生前鰭。當(dāng)施加直流電壓后，石墨烯振蕩器產(chǎn)生振蕩推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。在此過(guò)程中，外部光束照射到光驅(qū)動(dòng)器上，使其變形并接觸到下極板，導(dǎo)致移動(dòng)中的機(jī)器人轉(zhuǎn)向。作為驗(yàn)證，展示了仿海豹機(jī)器人在電壓和光照的雙重刺激下，以“S”軌跡繞過(guò)兩個(gè)障礙物。
 

　　該石墨烯振蕩器以及仿生機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、機(jī)械能持續(xù)輸出、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有望應(yīng)用于緊湊型電力設(shè)備、氣體絕緣輸電線路的內(nèi)部運(yùn)行和巡檢。此外，作為一種機(jī)械輸出穩(wěn)定的新型電機(jī)，石墨烯振蕩器有望通過(guò)電極的小型化和柔性化進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，在新型智能機(jī)械系統(tǒng)和微型軟機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的前景。
 

圖4 光/電操控的仿海豹機(jī)器人及其可控運(yùn)動(dòng)
 

　　在柔性智能光驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用方面，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)低頻噪聲污染的高效聲衰減需求，與愛(ài)沙尼亞塔爾圖大學(xué)等多單位合作，首次將光活性聚合物智能材料與聲學(xué)超材料結(jié)合，提出了一種新型可編程光調(diào)制吸聲體(LMA)的概念，其通過(guò)光響應(yīng)柔性智能驅(qū)動(dòng)材料實(shí)現(xiàn)了無(wú)束縛、超寬帶聲學(xué)調(diào)制。與幾何結(jié)構(gòu)固定、可調(diào)性有限的傳統(tǒng)超材料不同，LMA可在緊湊構(gòu)型中實(shí)現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)，從而在低強(qiáng)度光刺激下，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸聲特性的可編程控制。相關(guān)成果以“A programmable acoustic metamaterial: achieving untethered ultra-broadband modulation with photoactive structural transition”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。
 

圖5 LMA概念及兩種LMA結(jié)構(gòu)示意圖
 

　　此外，該團(tuán)隊(duì)還與哈爾濱工業(yè)大學(xué)彭慶宇教授合作，開(kāi)發(fā)了一種具有“類二極管式”變形行為的濕度響應(yīng)MXene柔性薄膜驅(qū)動(dòng)器。基于其厚度梯度結(jié)構(gòu)以及MXene/羧甲基殼聚糖復(fù)合物對(duì)水分子的高度敏感性，該薄膜驅(qū)動(dòng)器能夠在水分梯度刺激下產(chǎn)生“類二極管式”的驅(qū)動(dòng)變形行為，其變形行為與厚度梯度方向以及水分源的方向高度相關(guān)。當(dāng)水分刺激復(fù)合膜底部時(shí)，薄膜的彎曲軸垂直于厚度梯度方向；當(dāng)水分刺激復(fù)合膜頂部時(shí)，薄膜的彎曲軸平行于厚度梯度方向。基于該柔性驅(qū)動(dòng)器獨(dú)特的濕度響應(yīng)行為，發(fā)展了一系列智能應(yīng)用，包括水分梯度刺激下的柔性自振蕩器件，以及基于人體代謝水分刺激的智能非接觸開(kāi)關(guān)、非接觸鍵盤、可穿戴智能熱管理服飾、可識(shí)別人體呼吸狀態(tài)的自供電傳感器等。相關(guān)成果以題為“MXene/Carboxymethyl Chitosan Moisture Responsive Soft Actuator with Diode-Like Actuation for Versatile Applications Driven by Human Metabolism”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。
 

圖6基于該復(fù)合膜驅(qū)動(dòng)器的智能應(yīng)用
 

　　上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金等資助。