麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)新型““人造肌肉””材料可驅(qū)動微型飛行器實(shí)現(xiàn)長時(shí)間高精度飛行

相關(guān)論文以《一種由低壓長壽命介電彈性體致動器驅(qū)動的高升程微型空中機(jī)器人》為題發(fā)表，并被選為該期刊的封面文章。

介電彈性體致動器能夠基于電場驅(qū)動直接把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，用于軟體機(jī)器人的“ 肌肉” 制作。不過，相較驅(qū)動剛性機(jī)器人的壓電雙晶片和電磁電機(jī)等剛性執(zhí)行器，市面上大部分介電彈性體致動器的功率密度和壽命都較低，且需要較高的驅(qū)動電壓。

為此，來自麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“基于并聯(lián)多層電極材料技術(shù)、具有低驅(qū)動電壓、強(qiáng)耐久性”的新型介電彈性體致動器，不僅能夠提升微型飛行器的動力，而且使其各方面表現(xiàn)都優(yōu)于當(dāng)前同尺度下的其它飛行器。

據(jù)了解，集成該介電彈性體致動器的空中機(jī)器人在現(xiàn)有亞克級空中機(jī)器人中性能最好、飛行時(shí)間最長，其懸停時(shí)間達(dá)到20秒，位置和姿態(tài)誤差分別小于2.5厘米和2度，并實(shí)現(xiàn)了超過200萬次驅(qū)動循環(huán)的長使用壽命。

而且，該機(jī)器人在升力重量比方面也有所提升，從之前的2：1提升到了3.7：1，是目前同尺寸下能達(dá)到的最好性能。

論文第一作者任智健稱，之所以他們能達(dá)到這樣的突破，歸功于進(jìn)一步降低了介電彈性體致動器每一層彈性聚合物的厚度。

此外，該團(tuán)隊(duì)針對介電彈性體致動器驅(qū)動電壓較高的問題做出了努力。此前介電彈性體致動器需要達(dá)到接近2000V的工作電壓才能使機(jī)器人完成起飛，而他們最新研制的介電彈性體致動器只需要大約500V的工作電壓。

研究人員表示，從材料角度出發(fā)，降低電壓就是要在減小每層彈性聚合物厚度的同時(shí)，增加相應(yīng)的層數(shù)。雖然思路很容易被想到，但具體操作起來就會有各種各樣的問題。

比如，層數(shù)增加會使得烘烤聚合物的時(shí)間增長， 驅(qū)動器的整體制作時(shí)間也成倍增長，不利于進(jìn)一步減小厚度;而且，隨著厚度的減小，彈性聚合物中的氣泡很容易在通電測試的過程中被擊穿，從而導(dǎo)致驅(qū)動器整體性能的下降。

面對這些問題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了反復(fù)的制作工藝調(diào)整和樣品測試，同時(shí)引入了一些針對性的解決措施，比如在每層彈性聚合物旋涂后立即抽真空來大幅減少氣泡，以及多次放入烤箱等具體加工工藝細(xì)節(jié)。在不斷的摸索與嘗試過程中，他們最終找到了比較穩(wěn)定的加工工藝。

隨后， 他們還進(jìn)行了各種對比測試，如靜態(tài)扇翅測試、動態(tài)升力測試和最后的飛行器起飛測試等。通過這些測試，研究人員獲得了完整的數(shù)據(jù)，證明其最新加工工藝的確提高了介電彈性體致動器和微型飛行器的整體性能。

任智健談到， 他們的大部分工作是在疫情期間完成的，所以其需要在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間里盡可能多嘗試不同的制作工藝，并對測試得到的數(shù)據(jù)加以分析，再去思考如何改進(jìn)。

值得一提的是， 他們在提交初稿之后3個(gè)月就被接收，整體還是一次非常順利的過程。審稿人們認(rèn)為，該研究在介電彈性體致動器和微型無人機(jī)領(lǐng)域都有著極其重要的意義，并夸贊了改進(jìn)后的介電彈性體致動器制作工藝，表示“雖然簡單又傳統(tǒng)，但十分有效”。

任智健還表示，其在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)讀書時(shí)就與另一位論文共同第一作者蘇漢·金姆相熟，兩人已有一定的默契，所以他們在疫情期間能順利分配各自實(shí)驗(yàn)任務(wù)并同時(shí)進(jìn)行有效的溝通。

據(jù)了解，任智健本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)自動化系，之后赴卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械系攻讀碩士，目前博士就讀于麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系。

他表示，目前其所研發(fā)的介電彈性體致動器還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，到實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。長遠(yuǎn)來說，這種介電彈性體致動器驅(qū)動的微型飛行器可應(yīng)用于救援搜索、復(fù)雜地形勘探以及農(nóng)業(yè)播種等領(lǐng)域。

下一步，該團(tuán)隊(duì)打算在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過優(yōu)化微型無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來增加其可控性。此外，他們還計(jì)劃基于低工作電壓設(shè)計(jì)出輕量化的供電電路，以達(dá)到無線化飛行的目標(biāo)。