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北京時(shí)間12月5日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)器人研究所朱向陽(yáng)、谷國(guó)迎教授團(tuán)隊(duì)的論文“Semiseparated biphasic bicontinuous dielectric elastomer for high-performance artificial muscle”，提出了一種雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)介電彈性體人工肌肉的設(shè)計(jì)方法。上海交通大學(xué)為論文第一作者和通訊作者單位，博士研究生石笑天和鄒江副教授為共同第一作者，朱向陽(yáng)教授、谷國(guó)迎教授和江西科技師范大學(xué)盧寶陽(yáng)教授為共同通訊作者。
在軟體機(jī)器人、觸覺(jué)交互和智能假肢等領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)高性能的電作動(dòng)人工肌肉一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)介電彈性體材料在低驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下的輸出性能長(zhǎng)期受限于其有限的機(jī)電靈敏度，針對(duì)這一難題，該論文提出了一種“異交聯(lián)誘導(dǎo)相分離”策略，研制出具有半分離雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)的介電彈性體（SBE），將機(jī)電靈敏度提升至360 MPa?1，為高性能人工肌肉的發(fā)展提供了新途徑。
該策略利用了兩種硅橡膠不同的交聯(lián)機(jī)制，通過(guò)其異交聯(lián)動(dòng)力學(xué)的差異，引導(dǎo)兩相在微米尺度自發(fā)組裝。其中高介電常數(shù)的介電（D）相通過(guò)主鏈交聯(lián)形成貫穿網(wǎng)絡(luò)，而低楊氏模量的機(jī)械（M）相通過(guò)側(cè)鏈交聯(lián)構(gòu)成力學(xué)骨架，形成邊界融合、相互貫通的雙相結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)既保持了材料的低楊氏模量，同時(shí)提高了其介電常數(shù)和擊穿電場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，僅含10% D相的SBE材料，其楊氏模量約為10 kPa，相對(duì)介電常數(shù)為3.6，實(shí)現(xiàn)了高的機(jī)電靈敏度。基于此材料制備的人工肌肉，在無(wú)需預(yù)拉伸的情況下，在35 V/μm的電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了90%的面積應(yīng)變。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)研制了高性能剪切型人工肌肉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，不同配比的人工肌肉均展現(xiàn)出優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變能力。譬如，無(wú)需預(yù)拉伸即可產(chǎn)生超過(guò)50%的線性應(yīng)變，應(yīng)變速率高達(dá)400%/s，能量密度達(dá)到375?J/kg等，充分展現(xiàn)了雙相結(jié)構(gòu)在提升人工肌肉綜合性能方面的作用。
進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)制備出堆疊式和卷繞式兩種結(jié)構(gòu)的人工肌肉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：堆疊式人工肌肉在高頻下，實(shí)現(xiàn)了21.76 kPa的阻塞應(yīng)力和2250 W/kg的功率密度。一個(gè)重1.2克的堆疊式人工肌肉能夠在300克負(fù)載下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，線性應(yīng)變達(dá)91%。
為展示其應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了由四個(gè)SBE人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人機(jī)械臂，具有119.3°的運(yùn)動(dòng)范圍和0.24 N·m的輸出力矩。此外，研制的多模態(tài)軟體爬行機(jī)器人在300 Hz驅(qū)動(dòng)頻率下實(shí)現(xiàn)了22身長(zhǎng)/秒的快速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整前后肌肉的驅(qū)動(dòng)相位即能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退的切換，在彎曲管道和復(fù)雜胃模型等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中穿行。
這項(xiàng)研究通過(guò)材料設(shè)計(jì)、器件開(kāi)發(fā)與軟體機(jī)器人應(yīng)用，展示了介電彈性體人工肌肉在機(jī)電靈敏度、響應(yīng)速度、功率密度和使用壽命等方面的新性能，為下一代高性能、電作動(dòng)軟體機(jī)器人研發(fā)提供了新的技術(shù)路徑。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3521
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