高興團隊在高功率輸出介電彈性體人工肌肉研究取得進展

中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)療機器人與微創(chuàng)手術器械研究中心高興團隊與英國布里斯托大學機械工程系 Stuart Burgess、 Andrew T. Conn 團隊在共振介電彈性體執(zhí)行器方面的研究取得進展。相應成果為“Cao CJ, Gao X, Burgess SC, et al. Power optimization of a conical dielectric elastomer actuator for resonant robotic systems [J]. Extreme Mechanics Letters, 2020, 35: 100619, 10.1016/j.eml.2019.100619(共振機器人系統(tǒng)中錐形介電彈性體執(zhí)行器的功率優(yōu)化)”。

相較于傳統(tǒng)的電機等剛性驅動器，軟體驅動器具有更好的順應性和變形性，因此能夠更加安全地實現(xiàn)人機交互。然而，當前的軟體驅動器輸出功率密度低，這導致了軟體機器人負載能力差、運動速度慢，極大地限制了其在醫(yī)療康復、災后搜救等重要領域的應用。介電彈性體(Dielectric Elastomer，DE)驅動器作為一種新型電活性聚合物驅動器，具有響應速度快(＜0.1 ms)、驅動帶寬高(＞1 kHz)等優(yōu)良特性，有望通過其共振驅動原理彌補上述軟體驅動器的性能缺陷。DE 驅動器可利用材料固有的彈性特點實現(xiàn)共振驅動，從而使得輸出功率最大化，實現(xiàn)超越生物肌肉和其他類型軟體驅動器的輸出功率密度。

該研究采用一種雙錐型介電彈性體驅動器(DCDEA)結構，通過運用非線性機電耦合動力學模型與實驗驗證的方法，對驅動器結構進行了全面優(yōu)化。通過對彈性體薄膜的預拉伸比例和耦合結構件高度的優(yōu)化，該驅動器可實現(xiàn)最高相對于其高度 257% 的共振行程以及～50 W/kg 的輸出功率密度。該型基于共振驅動原理的驅動器已經(jīng)達到與動物肌肉組織相當?shù)妮敵龉β拭芏?，為展示其在高性能仿生機器人中的潛在應用，研究人員利用該驅動器成功驅動了一款微型仿生撲翼飛行器結構，如下圖所示。該飛行器在 30 Hz 左右具有最大 30 度的行程，有力地示了該型驅動器的優(yōu)異輸出性能。該研究首次系統(tǒng)分析了軟體驅動器功率輸出性能，揭示了介電彈性體在阻尼負載中的共振驅動機理，其成果有望在醫(yī)療康復、災后搜救、振動控制等領域發(fā)揮重要作用。

(a)撲翼仿生飛行器結構，基于共振驅動的介電彈性體驅動器帶動機翼扇動；(b)飛行器實物圖；(c)高速攝像機下捕捉的飛行器運動