新材料可制節能機器翅膀：可承受很大程度變形

文章來源：美國物理聯合會

基於介電彈性體材料的人造關節上下彎曲的新振蕩現象揭示了該材料在製作軟性機器人方面的潛力，比如可用來製作輕巧，節能的機器翅膀。

介電彈性體是一種新型材料，它能夠用來製作柔軟，輕巧， 具有高能量轉換效率的促動器或發動機，且可以承受很大程度的彈性變形。 科學家們由此對它青睞有加，熱衷於用它製作機器手，軟性機器人，可調鏡頭,氣動閥門--還有,會扇動的機器翅膀。

在本周發表在美國物理聯合會《應用物理快報》的一篇研究文章中， 來自中國哈爾濱工業大學威海分校和美國加州大學洛杉磯分校的研究者們闡述了他們在介電彈性體中發現的一個新的共振現象：基於介電彈性體材料的人造關節能夠實現負角度彎曲，即能夠上下扇動，如鳥類的翅膀。

“介電彈性體是一種加上電壓即可出現形變的電激活聚合物，”哈爾賓工業大學機械電子工程系副教授趙建文。他解釋到以往的研究者們通常用穩定電壓激活人造關節的運動以研究其運動規律，穩定電壓只能使人造關節彎曲在某一個固定的角度，而他們則想了解人造關節在周期性變化的交變電壓中是如何運動的。

“我們發現交變電壓可以使人造關節在不同的角度連續彎曲。尤其，當人造關節的轉動慣量或者所施電壓大到一定程度時， 關節可以實現負角度彎曲，也就是大於90度角至180度的彎曲，同時也將遵循一種不同於常規振動的特殊規律。”

趙教授，這種新的現象使介電彈性關節成為製作輕軟型機器翅膀的候選材料。 介電彈性材料的發動機比電力發動機有更高的能量轉換率（60%到90%的能量轉換），因此這樣的人造翅膀要比電力翅膀更有效率。

像肌肉一樣的發動機

相比基於堅硬材料的傳統機器人，軟性機器人有很多有優點，如更安全的人機接觸，更有效穩定的移動和高適應性的彈性形變。介電彈性材料因其柔軟輕質的內在特點和優秀的電動機械性能，而被認為是最接近人類肌肉的材料，近幾年廣受軟性科技科學家們的青睞。

在兩個柔韌電極之間加入軟性緣彈性材料片就組成了介電彈性材料，當電壓加載兩個電極之間時， 該介電材料被擠壓變形從而向兩邊伸展。不同於基於硬質如硅材料的促動器，介電彈性材料可能實現很大程度的變形，通常情況下能夠伸展一倍的長度而不會斷裂，為軟性機器人技術，可調光學器件和細胞操作等領域的發展提供了很多新的可能性。

趙教授的實驗中所用的介電彈性材料促動器被稱為“介電彈性材料最低能態結構，”是將一塊拉伸的介電彈性材料膜貼在一個薄而有彈性的框架中而製成。粘貼過后，延展的介電材料會自然收縮，其收縮力會使框架自然彎曲，最終達到一個能量最低的平衡狀態。

當對介電彈性材料施加幾千伏的低電流時， 框架會隨介電材料的伸展而伸展，從而使彎曲的角度逐漸變小。為了讓框架只讓其沿一個軸伸縮彎曲，研究者們將兩塊硬質的框架固定在主框架的兩邊，整個系統於是就形成了可轉動的人造關節。 動態地改變施加的電壓會動態地改變關節轉動的角度，這一特點使該結構成為了製作軟性器材的一種有效結構。

一種新的振動現象

在趙教授的實驗中，研究者們用交變方波電壓激勵人造關節的轉動。交變方波是一種周期性開啟關閉的電壓，它不同於以往的科學家“常用穩定電壓來研究人造關節的運動。”

“交變電壓的優點在於它能夠在不同電壓值之間切換，從而使得人造關節得以連續地轉動彎曲。”趙教授。

新的實踐也帶來了新的結果。通過在實驗測試不同的參數， 如調整所加電壓值和頻率，改變人造關節的質量， 趙和他的同事們發現了一個新的振動現象：當人造關節的轉動慣量或者所施加的電壓大到一定程度的時候， 它能夠實現超過90度的負角度彎曲，如鳥類的翅膀一樣上下扇動。

“實現負角度彎曲時， 人造關節的運動變得更加複雜，所遵循的振動規律也和常規不同, 我們稱之為非線性振蕩。”趙。

在常規振動中，關節的彎曲振動總是緊跟所施電壓的頻率，當電壓頻率和自身的頻率相同時，達到最大的彎曲程度。而在非線性振蕩中，只有當電壓頻率接近且略小於兩倍的人造關節本征頻率時，關節才能達到其最大的彎曲角度。同時，在非線性振蕩中，人造關節振蕩的幅度也大於常規振蕩時的情況，這也暗示在這種特殊的振蕩中，人造關節能夠生更大的牽引拉力。

趙教授強調，這一新現象和其規律為實現很多新型的軟材料器件提供了可能性，如用來製造對環境和承重有特殊要求的輕軟性機器人，可以生很大牽引力的軟性機器翅膀等等。另外，這種介電彈性材料同時還具有很高的能量密度（比一般電磁促動器高70倍）和高轉換效率（60%到90%）， 因此也是製作各種節能器件的佳選擇，趙教授。

研究者們下一步的計劃是改進介電彈性材料關節的功能，改善製作生技術，從而製作出一隻真正的機器翅膀。