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      新材料帶來(lái)更強(qiáng)壯靈活人造肌肉 有望讓機(jī)器人逼真模仿自然運(yùn)動(dòng)

      2022-11-02 06:03:22
      機(jī)床與液壓 2022年13期
      關(guān)鍵詞:致動(dòng)器彈性體丙烯酸

      美國(guó)科學(xué)家開發(fā)了一種新的材料和工藝,用于制造比生物肌肉更強(qiáng)壯、更靈活的人造肌肉。研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

      加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)工程學(xué)院研究人員稱,創(chuàng)建人造肌肉來(lái)完成工作并檢測(cè)力和觸覺,一直是科學(xué)和工程界的巨大挑戰(zhàn)之一。

      在制造人造肌肉方面,雖然許多材料都很有競(jìng)爭(zhēng)力,但具有高彈性的輕質(zhì)介電彈性體(DE)因其柔韌性極佳而備受關(guān)注。大多數(shù)DE由丙烯酸或硅樹脂制成,但這兩種材料都有缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的丙烯酸DE可實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變,但需要預(yù)拉伸且缺乏靈活性;有機(jī)硅更容易制造,但它們不能承受高應(yīng)力。

      UCLA研究團(tuán)隊(duì)利用市售化學(xué)品并采用紫外線光固化工藝,創(chuàng)造了一種改進(jìn)的丙烯酸基材料,該材料更柔韌、可調(diào)節(jié)且更易于擴(kuò)展,且沒有損失其強(qiáng)度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氫鍵,從而使材料更容易變形,但研究人員調(diào)整了聚合物鏈之間的交聯(lián),使彈性體更柔軟、更靈活。然后將得到的薄薄的、可加工的高性能介電彈性體薄膜(PHDE)夾在兩個(gè)電極之間,以將電能轉(zhuǎn)換為致動(dòng)器的動(dòng)能。

      每張PHDE薄膜都像一根頭發(fā)一樣輕薄,大約35微米厚,當(dāng)多層堆疊在一起時(shí),它們就變成了一個(gè)微型電動(dòng)機(jī),可像肌肉組織一樣發(fā)揮作用,并產(chǎn)生足夠的能量來(lái)為機(jī)器人或傳感器的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。研究人員已制作出4-50層不等的PHDE薄膜堆疊。

      配備PHDE致動(dòng)器的人造肌肉可產(chǎn)生比生物肌肉更多的動(dòng)力,柔韌性也比自然肌肉高3~10倍。

      UCLA的研究利用了“干法”工藝。該工藝用刀片將薄膜分層,然后進(jìn)行紫外線固化硬化,使各層均勻。這增加了致動(dòng)器的能量輸出,使設(shè)備可支持更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

      這種簡(jiǎn)化的過(guò)程,以及PHDE的靈活和耐用特性,允許制造出新型柔性致動(dòng)器,其可像蜘蛛腿般彎曲跳躍,亦可纏繞和旋轉(zhuǎn)。研究人員還展示了PHDE致動(dòng)器能夠投擲比薄膜本身重20倍的豌豆大小的球。當(dāng)電壓打開和關(guān)閉時(shí),致動(dòng)器還可像隔膜一樣膨脹和收縮。

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