高興團隊提出一種由偏置電壓控制切換的雙穩(wěn)態(tài)錐形介電彈性體振蕩器

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)療機器人與微創(chuàng)手術(shù)器械研究中心高興團隊在電壓控制切換的雙穩(wěn)態(tài)錐形介電彈性體振蕩器方面的研究取得進展。相應(yīng)成果為“Cao CJ, Hill TL, Li B, et al. Nonlinear dynamics of a conical dielectric elastomer oscillator with switchable mono to bi-stability [J]. International Journal of Solids and Structures, 2020, 10.1016/j.ijsolstr.2020.02.012(具有單穩(wěn)態(tài)到雙穩(wěn)態(tài)切換能力的錐形介電彈性體振蕩器的非線性動力學(xué))”。

介電彈性體振蕩器(DEO)是一種新興的高頻軟執(zhí)行器，具有許多優(yōu)點。但是，目前大多數(shù)的 DEO 具有固定的預(yù)定義形態(tài)，且僅具有一個穩(wěn)態(tài)，限制了它們的多功能性。該研究發(fā)現(xiàn)圓錐形的 DEO 可能表現(xiàn)出單穩(wěn)性(即一個穩(wěn)定的平衡點)或雙穩(wěn)性(兩個對稱的平衡點)，并探究了其有效的控制策略。

為了打破先前 DEO 設(shè)計固定形態(tài)的限制，該研究開發(fā)了一種新型的具有雙穩(wěn)態(tài)偏置機制的錐形介電彈性體振蕩器，其可以通過簡單的電壓控制從單穩(wěn)態(tài)切換為雙穩(wěn)態(tài)，如下圖所示。此外，該研究使用 Euler-Lagrange 方法推導(dǎo)出了一個理論模型來表征這個 DEO 系統(tǒng)，并以該模型研究了新型 DEO 系統(tǒng)的靜態(tài)平衡態(tài)及穩(wěn)定性。

結(jié)果顯示，這種新型 DEO 系統(tǒng)可以表現(xiàn)出單穩(wěn)性或雙穩(wěn)性，并可由偏置電壓和設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。在單穩(wěn)態(tài)模式下，DEO 系統(tǒng)的位移為零，但在共振頻率附近有高振幅振蕩雙周期響應(yīng)。在雙穩(wěn)態(tài)模式下，觀察到此 DEO 系統(tǒng)中有兩個對稱的穩(wěn)定平衡點。同時，在無阻尼的自由空間中，觀察到每個平衡點附近有低振幅井內(nèi)軌道，同時存在高振幅井間軌道包圍它們。

所提出的設(shè)計方法在更先進和多功能的軟體振蕩器應(yīng)用中具有潛力，如主動振動控制器/振動器、主動變形結(jié)構(gòu)、智能能量收集和高度可編程的機器人運動等。