實(shí)驗(yàn)名稱：介電彈性體肌肉制成的受水蛭啟發(fā)的軟機(jī)器人研究

研究方向：水蛭運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是吸盤附著和身體收縮交替，在復(fù)雜地形上提供了高度的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。在此，首次提出了一種受水蛭啟發(fā)的摩擦電軟機(jī)器人，能夠進(jìn)行兩棲運(yùn)動(dòng)、攀爬和負(fù)重爬行。開發(fā)了一種高性能的摩擦電仿生機(jī)器人系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)和控制電響應(yīng)軟體機(jī)器人。爬行機(jī)器人因其對(duì)不同環(huán)境的特殊適應(yīng)性而受到了相當(dāng)大的關(guān)注，并應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、勘探生物醫(yī)學(xué)和設(shè)備檢查。盡管許多剛性爬行機(jī)器人，包括輪式、跟蹤和legged變體，它們能夠?yàn)榫?xì)的操作或重型舉重提供精確的控制和高有效載荷能力，它們對(duì)由剛性關(guān)節(jié)組成的復(fù)雜機(jī)構(gòu)的依賴限制了它們穿越復(fù)雜地形的能力。與剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人重量輕、可變形、成本低、材料靈活，并且具有出色的機(jī)械柔性。使它們能夠模仿無脊椎動(dòng)物（章魚、毛蟲和蛇在復(fù)雜的環(huán)境中爬行，包括不平坦或粗糙的表面和狹窄的隧道。

目前，軟爬行機(jī)器人可以根據(jù)它們的激活機(jī)制進(jìn)行分類，包括電、磁、化學(xué)、熱、光、壓力、和濕度。它們根據(jù)與外部電源或控制系統(tǒng)的連接進(jìn)一步分為非系留機(jī)器人和系留機(jī)器人。無系留機(jī)器人以其高機(jī)動(dòng)性和操作靈活性而聞名，廣泛用于探索無法進(jìn)入的區(qū)域、執(zhí)行遙感或執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。最近提出的摩擦電軟體機(jī)器人有效地解決了高壓供電電路故障帶來的問題。通過利用摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的高電壓和高阻抗特性，這些系統(tǒng)可以輕松產(chǎn)生數(shù)千伏特的低輸出電流（≈μA），而無需額外的電路。確保電響應(yīng)軟體機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。TENG已被證明可以驅(qū)動(dòng)電響應(yīng)材料，例如液晶、電流變液和介電彈性體，表明TENG為軟機(jī)器人提供動(dòng)力的潛力。此外，由于電荷轉(zhuǎn)移量小，使用TENG驅(qū)動(dòng)介電彈性體等材料可降低高電場下薄膜破裂的風(fēng)險(xiǎn)，使其成為軟體機(jī)器人的理想電源。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏褂酶邏弘娫?Aigtek,ATA-7100,100W)與HDC-TENG(多通道高壓輸出摩擦納米發(fā)電機(jī)（HDC-TENG）)進(jìn)行比較，通過使用力傳感器測量DM和TES組件兩個(gè)關(guān)鍵組件使能)的機(jī)械特性來評(píng)估驅(qū)動(dòng)電響應(yīng)軟機(jī)器人的能力，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

測試設(shè)備：ATA-7100高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、數(shù)字源表、陶瓷電阻器、單軸力傳感器、激光距離傳感器、高速相機(jī)、上位機(jī)

實(shí)驗(yàn)過程：利用可變形肌肉和摩擦電吸盤，用于制造可變形肌肉的材料包括介電彈性體、碳潤滑脂和PET薄膜，采用靜電計(jì)、陶瓷電阻器(1MQ~50GΩ)和電阻-電容分壓器測量HDC-TENG的開路電壓和功率曲線。用數(shù)字萬用表直接測量了短路電流和轉(zhuǎn)移電荷。使用掃描電子顯微鏡捕獲摩擦材料的顯微圖像。高壓電源(Aigtek,ATA-67110,100W)和信號(hào)發(fā)生器為DM供電，以便與HDC-TENG進(jìn)行比較。在精密金屬激光切割工作站上加工dm用PET。采用單軸力傳感器測量DM的阻塞力和TES的粘附力。采用激光距離傳感器(測量DM的突出長度。DM和TES的電容值采用數(shù)字源表測定。使用相機(jī)連續(xù)記錄LSR的爬行速度，計(jì)算每單位時(shí)間爬行的距離。使用MATLAB和Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

圖1介電彈性體肌肉制成的受水蛭啟發(fā)的軟機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：可以通過測量HDC-TENG在各種充電周期內(nèi)施加到DM的電壓來評(píng)估HDC-TENG對(duì)軟致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能（參見圖2B）。帶有一段DM的軟致動(dòng)器在1s內(nèi)達(dá)到最大飽和電壓;兩個(gè)段在1.5秒內(nèi)到達(dá)它;和2.5秒內(nèi)的三個(gè)段。由于肌肉的1、2和3段的電容值分別為298.49pF、556.38pF和674.91pF，DM段數(shù)量的增加會(huì)提高軟致動(dòng)器的電容值（由于并聯(lián)），需要來自HDC-TENG的更多電荷才能達(dá)到飽和電壓。當(dāng)HDC-TENG以不同速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)用于具有1、2和3個(gè)肌肉段（3秒充電周期）的軟致動(dòng)器配置的電壓變化。電壓增加是由于HDC-TENG在較高轉(zhuǎn)速下增強(qiáng)的電力輸出（參見圖2B、C），這會(huì)影響輸送到軟致動(dòng)器的電壓和電荷。圖2C、D顯示了當(dāng)HDC-TENG以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，軟致動(dòng)器在DM的1、2和3段中（3s充電周期）的阻塞力和突起長度的變化。在240rpm的轉(zhuǎn)速和3s的充電周期下，軟致動(dòng)器的三段、兩段和一段DM分別產(chǎn)生83.3mN/11.88mm、60.5mN/8.57mm和35mN/4.32mm的阻塞力和位移。隨著可變形肌肉節(jié)段的增加，軟致動(dòng)器的阻擋力和位移都會(huì)增加。圖2E、F顯示了軟致動(dòng)器（DM的3段）在3秒充電周期中阻塞力和突出長度的變化，HDC-TENG以240rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。具有三段DM的軟致動(dòng)器在0.5-3s充電循環(huán)期間產(chǎn)生最大阻塞力和位移，如下所示：83.3mN/11.88mm、10.59mN/8.57mm、79.8mN/9.71mm、78.06mN/8.24mm、60.06mN/5.38mm和33.7mN/1.57mm。在1秒的充電周期內(nèi)，軟致動(dòng)器的性能（阻擋力和突出長度）有顯著改善。隨著充電周期的延長，這種性能增強(qiáng)趨于穩(wěn)定，與軟致動(dòng)器的電壓增長曲線一致（見圖2B），突出表明HDC-TENG的輸出電荷和軟致動(dòng)器的電容值是DM能否快速變形的決定因素。

圖2生物啟發(fā)可變形致動(dòng)器的啟動(dòng)電壓、阻斷力和突起長度的表征。A）致動(dòng)器產(chǎn)生的阻擋力和位移示意圖。在測量過程中，軟致動(dòng)器的一端固定在基板上，而另一端的阻擋力和位移則使用力和激光傳感器測量。B）不同充電周期下DM兩端（1、2和3段）的電壓。C，D）軟致動(dòng)器（DM的1、2和3段，3s充電循環(huán)）在HDC-TENG的不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的阻塞力和突起長度。E，F(xiàn)）阻塞力和突起長度由三段DM在不同充電循環(huán)中產(chǎn)生。

圖：ATA-7100高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇