英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

软驱动器用软材料

受自然肌肉的启发，软机器人的一个关键挑战是开发自给自足的机器人高应变密度电驱动软驱动器。现有的各种特征技术，如触发电活性聚合物所需的高电压（gt;1KV），形状记忆合金的低应变（lt;10%）和对外部压缩机和液压或气动流体冲击器执行机构的压力调节部件，极限它们在无约束应用中的实用性。这里我们展示了一个独立的软鲁棒结合聚合物基质的弹性特性和伴随液-汽转变的极端体积变化。这种材料结合了应变（高达900%）和相应的高应力（高达1.3兆帕），低密度（0.84g厘米-3）。加上其极低的成本（约每克3%），制造简单而且环境友好，这些特性可以使新型电动汽车完全柔软的机器人。

在生物学的指导下，研究人员的目标是开发出柔软的身体可编程运动，以结合自然柔顺性可控驱动。历史悠久的挑战在于缺乏易于处理的健壮软件高应变密度执行机构^1–5。这样的执行器易于生产，并可将模具、切割和3D打印成所需的形状，但会在相对低电压和低电流。今天，软驱动技术基于电活性聚合物^6–12，形状记忆合金和形状记忆聚合物^13–15，或压缩空气和加压流体执行器^16–24。然而，高压需要触发电活性聚合物（gt;1KV）和低应变形状记忆合金（lt;10%）以及外部液压压缩机和压力调节部件^{16，18、21、24}或气动^{16、17、19、20、22、23}流体弹性体执行机构，限制它们的小型化^2、4、16和实用性应用。最近基于燃烧的驱动演示²⁵是理想的冲击交付，但不太适合可控运动学。

相变材料提供了一种有吸引力的替代传统材料机电执行机构。这些材料依赖于由快速膨胀产生的机械力相变温度。一个典型的例子相变材料是石蜡在1930s²⁶早期，这些特性首次用于自我调节温室里的通风口。而石蜡基驱动器可以很大的力，它们的应变保持在体积的10%左右变化^26-28，与形状记忆合金和对于大多数机器人应用来说太小了。

可通过以下方法获得显著较高的膨胀应变利用可逆的液-汽相变，但是传统上很难控制物质系统控制。最近的一些设备使用内部的滞留液体气球或薄膜之间，形成膨胀的空洞^29-32。软弹性体薄膜的电触发变形，据报道，利用液体的液气转变大面积扩张³³。然而，这样的设备对制造并形成任意形状复杂的内部设计。例如，很难直接铸造或者3D打印这些执行器。

在这里，我们提出一种简单易制备的软性坚固材料它结合了聚合物基质的弹性特性和液-汽转变时流体的极端体积变化。我们展示并描述了软复合材料含乙醇的硅橡胶基体呈微气泡状，应变高达900%演示其作为一系列机器人执行器的用途应用。

结果

材料体系及其作用原理。选择一个聚合物基复合材料及其流体该系统以聚合物、沸点和实际操作限制流体，以及两者的化学相容性。我们的目标是合成一种廉价、简单、易用、环保的材料由食品安全和生物相容性材料组成。我们选择了基于PDMS的有机硅弹性体，一种无毒弹性体广泛用于软机器人应用，作为基体材料，以及乙醇，一种广泛使用的酒精，沸点78.4°C以及基质相容性，作为活性液体（补充图1和补充讨论材料组件选择）。

图1软性人工肌肉。肌肉是由分布在整个固体硅橡胶基体。电动的手上静止的肌肉，包括细的电阻丝。乙扩张肌肉驱动（8V，1A）

乙醇，包含在嵌入弹性硅橡胶基质，到达液体-气体时沸腾转变温度，伴随着成交量，导致整个软复合材料。这种复合材料可以很快乙醇与硅橡胶混合易制备（补充电影1，补充软件1）。混血儿材料既可浇铸也可3D打印（补充电影2，4），准备好后在室温下凝固固化。我们成功地混合了两组分铂催化硅酮中的乙醇（0–33 vol%）弹性体（补充图2）。总共20 vol%乙醇被选为最佳成分。

我们将这种材料展示为一种人造肌肉使用薄电阻线（图1a）和低功率特性（8V，1A）表现出显著的扩展性能力（图1b）。

由于混合，乙醇分布在硅树脂中气泡状孔隙中的弹性体基质并形成局部压力与蒸汽平衡。在固化过程中，乙醇蒸汽占据气穴分布在材料上，形成新的气孔通过膨胀降低内部蒸汽压直到与外部环境平衡达到压力。乙醇浸湿了硅橡胶凝胶以及固化固体（补充图1）。因此，乙醇扩散在气泡的内壁和空间的其余部分如果有的话，里面是乙醇蒸汽和空气（图2a）。包括20 vol%乙醇的材料密度为在0.84 g cm-3下测量。将复合材料加热至温度78.4℃，乙醇沸腾，内部局部压力气泡增长，迫使弹性硅橡胶基体通过膨胀来降低压力（图2b）。

复合材料截面前的显微CT扫描活化后说明膨胀现象在室温和用螺旋形电阻丝加热（图2c）。到有助于解释微CT扫描，材料把标本放在装有液体的塑料容器上乙醇。

液体乙醇随温度蒸发，导致气泡内的内部压力，导致膨胀硅弹性体基体。当乙醇通过液-汽相变，发生极端体积变化硅橡胶基体显著膨胀。随着成长在局部压力下，沸腾温度升高，持续加热至略高于78.4°C的温度需要进一步膨胀，直到没有液体乙醇留在气泡（图2b）。材料的红外辐射图像室温和膨胀期间（使用镍-铬螺旋管）如图2d所示。

图2软复合材料的结构和工作原理。显微结构：插图和立体图像；比例尺为1毫米。乙以单个乙醇气泡为例说明膨胀过程。室温下材料截面的微型CT图像在加热过程中。在加热开始和膨胀过程中材料的红外图像；使用镍铬电阻丝加热材料。

机械性能。最大体积膨胀约在宽水浴中控制加热期间（无限制体积膨胀），在90°C的温度下测量915%。我们用英斯特朗的机器测量定向力和驱动应力特性电阻性材料低功率螺旋形电线（15V，1A）。首先，我们的目标是展示复合材料提升重量1000次的能力不仅仅是它自己。6g材料具有重复性起重6.1kg，如图3a所示，30次重复循环加载至60N（单向力受阻）。详细的三个装卸循环的视图如图3b所示单独实验，我们测量了最大单向力在0-100%范围内的不同封闭应变水平下获得。重量为2g的无应力试样的最大力为约120N，相当于1.3的驱动应力最大起重量可达6000倍而不是它自己。图3c显示力随应变而减小在100%封闭菌株下降到35N。对趋势表明材料将达到140%的应变极限，当只允许向一个方向扩展时无约束时体积膨胀约为900%。均为3D打印铸态试样表现出相似的驱动行为（补充电影4）。

机器人技术的实现。我们展示实施我们的复合材料作为各种机器人应用（补充电影2）。首先，我们展示麦基本型肌肉。我们自给自足的人工肌肉不需要任何压缩机或调压设备（图4a），能够举起比自身重量大得多的重物（例如，图4b中13g执行机构提升1kg）。我们展示它作为二头肌，收缩并拉起下手臂，使其在肘部弯曲（图4c）。执行机构包编织网中的复合材料固定在边缘的套管（补充图3）。驱动力使用螺旋形电阻线（通电）电动在30 V时，1.5 A）通过执行机构内部。在启动过程中，复合材料径向膨胀纵向接触，模仿自然肌肉的行为。

此外，我们还设计了一个执行器，包括附着在纯（非驱动）层上的复合材料硅弹性体，形成双晶片弯曲（图4d）。这个驱动是用一根电阻线在8W（8伏，1安）。我们在两个机器人模型中使用了这个执行器：所有柔软的双腿“蠕虫”（图4e）和“雪橇”（图4f）。在由于被动硅酮附近的压缩力，驱动、复合材料膨胀和弯曲弹性层。

图3材料的力-应变特性（15V，1A）。a 30次循环加载至60 N（阻塞力；圆柱形试样；直径15.1mm，长度40 mm；重量6 g）。约束圆柱作动时不同伸长时交流阻断力的三个循环的详细视图；误差杆有关s.d.试样直径11.1 mm，长度25 mm；重量2 g。注意驱动取决于加热和冷却速度。

图4i显示了电动软夹持器，包括边缘有两个软支腿的复合材料抓取。启动时，双晶片弯曲，支腿移向物品（如生鸡蛋）并使其抓取举起来。

除了柔软的身体运动和抓握，我们展示人工肌肉的替代能力现有机器人中的电动机。我们用了一个仿生机器人使用进化算法34生成。原始机器人34（图4g）是三维打印的，包含一个小的电步进器嵌入上杆的电机。我们重印了原稿机器人用一个可拆卸的3D打印单元（补充图4），包括我们的复合材料作为活性材料的材料（图4h）嵌入特氟龙中袖子。我们通过一个嵌入肌肉内的电阻线圈定向膨胀，起活塞的作用酒吧的一部分向前。我们演示了每一个补充电影2中的机器人。

讨论

所提出的软复合材料表明高应变（高达900%）和相应的高应变低密度（0.84 g cm-3）下的应力（高达1.3兆帕）。即使是100%应变材料产生0.4mpa的应力，并且能够举重约为自身重量的1700倍。这些这些特性使这种材料处于以前不可接近的区域执行机构应力-应变图（图5a）。我们的执行器是比驱动应力与应变的Pareto不确定（图5b）。我们建议材料的应变极限是硅橡胶基体的最大应变（980%，根据致制造商）。以及极低的成本（实验室成本约为每克3%），易于制造，以及环境友好，这些特性使这种材料一个有吸引力的解决方案，其中应变密度是一个关键因素。

由电阻线加热的执行器的效率可以是估计为时间和投入（消耗）的电能。使用数据从图3可以看出，消耗的电力是外加直流电压、电流：15V·1A=15W图3b，致动器达到60N力所需的时间为70s、 60N力下的应变水平可根据图3c估算为70%。因此，40 mm长试样的线性膨胀为0.7times;40 m m=28 mm=0.028 m。因此，机械工作执行机构所做的计算可以作为力和距离为60N·0.028 m=1.68J，输出功率为1.68 J/70 s=0.024 W。因此，执行机构的效率为（0.024W/15w）·100%asymp;0.2%。该值对应于由通过一个电阻线线圈。在补充讨论中补充图5显示了使用相同的电线不同设计（单卷、双卷和三卷）的阻力加热时间可能会有很大的变化。例如，使用三卷线缩短加热时间40%，允许通过这个值提高效率。这样，一个简单的改变一种允许热量更均匀分布的金属丝设计，可以把我们的材料效率提高到0.3%左右。这个值是与其他热膨胀执行器的值相当，以及一些形状记忆合金在阿什比图表35。在图6中，我们显示大多数情况下相对于驱动应变绘制的效率与软驱动相关的现有驱动方法，包括材料（SMA、压电材料等）和装置（液压以及气动装置）。

可以看出，驱动方法表现为高驱动应变（约100%）和高效率是基于液压或气动（FEA，约87%；PAM，约40%的设备。对于DEAs36，根据操作模式，丙烯酸的最大效率值为26%执行器（在应变方面也优于其他DEA）。然而，这种液压和气动解决方案需要外部压缩机和压力调节设备。反过来，DEA的运行需要非常高的电压。根据在图表中，下一个可能的解决方案是SMAs；但是，它们显示效率约为2%，菌株lt;10%。这种二分法突出了最先进的权衡，其中使用简易操作无法达到合理的效率和应变基于低电压的材料执行器，但仅通过需要外部系统进行功率转换的装置（压缩机或高压变频器）。相反，提议的材料直接从低压电源提供高应变，通常在未受约束的应用程序中可用。我们建议高驱动应变，低成本，制备简单建议的软材料，值得进一步探索提高效率的方法高应变的高效材料驱动器。

图4 软复合材料作为驱动器的实现。McKibben型人工肌肉（编织网内软复合材料）套管）显示位移约为25%。B 13克人工肌肉重1公斤。c作为二头肌提升骨骼的软性人工肌肉肘部臂至90°位置（a–c：驱动功率为45 W（30 V，1.5 a））。双向弯曲驱动器的设计。所有柔软的双腿“蠕虫”及其8瓦（8伏，1安）功率的机车。f雪橇机器人及其运动功率为8 W（8 V，1 A）。四面体机器人进化和三维打印200034带嵌入式电机。h同一个机器人用软复合材料作为执行器嵌入而不是电机。我很温柔提卵钳（从左到右顺序；8V，1A）

执行机构材料的效率和操作很大程度上取决于加热和冷却速度。对于电阻加热，更大电流或更分散的供热网络可能提供更快的材料膨胀。对于冷却，优化致动器几何形状和表面积的设计可能有助于更快的冷却速度。例如表面体积比可能比体积冷却快得多材料。此外，还可以使用主动冷却解决方案，如珀尔帖结或液流冷却通道。在后者，由于硅酮排斥水（补充图1），内部水渠可采用软质材料设计，用于水流冷却。然而，这样的解决方案需要额外的能量以及潜在机器人/设备上的空间。

图5电动执行机构的应力应变对比图。与应变相对应的驱动应力。b比驱动应力（驱动应力除以材料密度）。缩略语：DEA-介电弹性体驱动器，FEA-流体弹性体驱动器，IPMConic高分子金属复合材料，PAM气动人工肌肉（McKibben驱动器），形状记忆合金。建议使用的材料标有“软”字样执行机构”。椭圆表示一系列观察到的应变，从140%的约束单向膨胀到无约束体积膨胀扩大900%。对于热膨胀执行器，10和100 K是以开尔文度为单位的温度变化范围。

或者，我们建议使用激动剂-拮抗剂-肌肉对。众所周知收缩肱二头肌使手臂在肘部弯曲，肱二头肌放松，反之亦然。此功能可用于减少执行器的去驱动时间。一次执行器（二头肌）将完成其工作，弯曲手臂，任务使手臂回到最初打开的位置可能是通过触发第二个执行器（三头肌）而不是等待二头肌冷却（图7）。在附则中电影3我们显示这种方法可以增加启动/解除启动时间2.4倍。

总之，我们的工作提出了一个自包含的软健壮复合材料，超高应变合理结合低密度高应力以非常低的成本提供生物相容性成分。这个材料执行器可用于多种应用，从传统的机器人技术可以满足先进的生物医疗需求，并可能使一种完全柔软的机器人。

图6各种情况下最大效率与驱动应变的关系图驱动方法。我们的材料被贴上了“软启动器”的标签。热的膨胀执行器，10和100 K是温度变化范围开尔文度。椭圆形表示可能的应变范围从纯线性膨胀（140%）到完全膨胀（无约束）体积膨胀

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[236575]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word