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【48812】我国科大在液态金属柔性驱动方向获得系列开展
时间: 2024-07-04 22:31:36 | 作者: 企鹅电竞手机网页版登录
海洋鸟类流浪信天翁可以接连飞翔几十天而不歇息，飞翔路程近15000公里；陆地上奔驰最快的动物之一猎豹，捕猎时最快速度能到达29m/s（104.4km/h），挨近轿车在高速上飞速行进的速度……自然界中动物特异的运动才能特别大程度上得益于他们杰出的肌肉功用。受肌肉超卓功用的招引，人们对研发可以仿照肌肉运动如弹性、旋转、曲折等的人工肌肉越来越感兴趣。新式的根据介电弹性体、影响-呼应聚合物、形状回忆合金（SMA）以及碳基复合物等资料的人工肌肉尽管比较于传统电气、液压、气压驱动器具有体积轻小、结构严密相连、价格低一级优势，但其需要高驱动电压、应变小、呼应慢等缺点严峻约束了它们的运用。
近来，我国科学技能大学工程科学学院张世武教授、金虎副研讨员联合英国伯明翰大学唐诗杨博士、澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授、苏州大学李相鹏教授以及美国北卡罗来纳州立大学Michael Dickey教授组成的研讨组提出了一种根据电化学办法改动液态金属外表张力的液态金属人工肌肉（LMAM）来仿照肌肉的缩短及舒张功用。LMAM能在不同pH溶液（0-14）中作业，最大扩展速度到达15mm/s，最大应变到达87%，别的，这种人工肌肉所需的驱动电压极小，舒张时驱动电压仅需0.5V，缩短时仅需4V。该项作业有望为柔性驱动器在微机电体系、生物医学等范畴的运用供给全新思路。相关效果以“A Liquid Metal Artificial Muscle”为题宣布在Advanced Materials上。
近年来，镓基液态金属因为其杰出的物化特性成为一大研讨热门。镓基液态金属兼具液体和固体的一些特性，包含高电导/热导率，杰出的柔性，毒性极低且不易挥发。此外，镓基液态金属极易被氧化构成外表氧化膜，未被氧化时，液态金属具有现在已知液体中最大的外表张力（600mN/m），氧化后，液态金属的外表张力可降至挨近0。联合研讨组运用电化学办法快速、可逆地完成这两种状况的切换（图1a - c），一起，研讨组经过组织规划，结构液桥，将液态金属液滴状况切换过程中的形状改变转化为驱动行程及驱动力。如图1d所示，液滴上下两头安置铜电极，其不仅为液滴供给氧化/复原电压，铜和液态金属优异的潮湿性还使得液滴能被锚定在铜片上。液态金属液滴在上下铜电极之间构成液桥，电极供给氧化电压时（+4V），液滴从近球状变成扁平泥状，液桥对上基底的作用力向下，液桥高度下降，人工肌肉“缩短”；电极供给复原电压时（-0.5V），液滴从扁平泥状康复成近球状，液桥对上基底的作用力向上，液桥康复初始高度，人工肌肉“舒张”。在0.25Hz电压（4V到-0.5V）驱动下，人工肌肉能供给约20mN的拉力，40mN的推力，超越1mm的驱动行程（图1i）。
研讨人员随后经过对驱动参数优化、驱动单元的串并联提高人工肌肉的功用。为了验证LMAM杰出的驱动功用和运用潜力，研讨展现了LMAM在编码显现、货品运载、可重构光学器材中的运用。研讨人员还根据LMAM驱动开发了一种自主游动（untethered）的单尾鳍仿生机器鱼（图2）。尾鳍一端的两边对称安置有两个LMAM驱动单元，两个单元的异步缩短-舒张驱动尾鳍接连摇摆（图2b），然后驱动机器鱼向前游动。机器鱼仅由一节3.7V（80mAh）锂电池供电，驱动信号由内载MCU调制，在2Hz电压信号驱动下，机器鱼游动速度能到达10cm/min，航时达40min。
该研讨证明了根据液态金属液滴的柔性驱动器在低输入电压下具有杰出的驱动功用，为未来开发根据低功率驱动器机器人体系铺平了路途。工程科学学院博士研讨生舒健、葛杜安、王二龙为论文一起榜首作者，工程科学学院张世武教授、金虎副研讨员，以及英国伯明翰大学唐诗杨博士为论文一起通讯作者。该研讨作业得到了国家自然科学基金等项目赞助与支撑。
近来，联合研讨组还提出了一种通用的光诱导液态金属液滴驱动计划：运用激光束挑选性地激活电解液中的光电晶体管，然后运用马拉格尼力（Marangoni force）完成对液态金属液滴的电驱控制（图3）。该计划无需杂乱和巨大的体系，简略运用光即可诱导多个液态金属液滴的并发运动、割裂和兼并，研讨人员也展现了其在光控继电器等方面的运用。这种用于操作LM液滴的光诱导控制办法为在MEMS、现场可编程机器人和根据液滴的液体协作机器人范畴的未来立异研讨供给了新的方向和技能途径。相关效果以标题为“Light-controlled versatile manipulation of liquid metal droplets: a gateway to future liquid robots” 宣布在Materials Horizons上，并被选为封底文章。
图3 光诱导液态金属液滴驱动 （a）光诱导液态金属驱动设备；（b）光诱导液态金属液滴沿特定图画运动；（c）和（d）光诱导液态金属驱动小车
此外，联合研讨组还根据液态金属的电致驱动成功研发了一种无需任何惯例电磁器材的液态金属电机（图4a），该电机运用电场在液态金属液滴两边构成外表张力差，驱动电机转子旋转，输出力矩；为客服传统固-固触摸电刷摩擦力大，磨损耗费快，发生火花形成安全危险危险等缺点，研讨人员还运用液态金属优异的导电性和较低的粘度，规划了一种固-液触摸的液态金属电刷，该电刷能防止导线环绕，有用确保电路连通，一起，其滚动阻力比惯例电刷小一到两个数量级。研讨人员还展现了运用该电机驱动小车和小舟分别在陆地和水中运动的运用（图4b , c）。该项作业有望补偿传统驱动器材的缺点，启示液态金属在柔性机器人、微机电体系、柔性电子等范畴的运用和开展。相关效果以 “Liquid Metal Motor”为题宣布在Cell子刊iScience上，并被Matter期刊作 Preview介绍。
图4 液态金属电机（a）液态金属电机结构图；（b）和（c）液态金属电机驱动的小车和小舟；
