(左)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。(右)用來測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)。(Jianwen Zhao/Harbin Institute of Technology in Weihai, University of California-Los Angeles)
介電彈性體是一種新型材料，它能夠用來制作柔軟，輕巧， 具有高能量轉(zhuǎn)換效率的促動器或發(fā)動機(jī)，且可以承受很大程度的彈性變形。 科學(xué)家們由此對它青睞有加，熱衷于用它制作機(jī)器手，軟性機(jī)器人，可調(diào)鏡頭,氣動閥門--還有,會扇動的機(jī)器翅膀。
在本周發(fā)表在美國物理聯(lián)合會《應(yīng)用物理快報》的一篇研究文章中， 來自中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校和美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者們闡述了他們在介電彈性體中發(fā)現(xiàn)的一個新的共振現(xiàn)象：基于介電彈性體材料的人造關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)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(xiàn)形變的電激活聚合物，”哈爾賓工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程系副教授趙建文說。他解釋到以往的研究者們通常用穩(wěn)定電壓激活人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動以研究其運(yùn)動規(guī)律，穩(wěn)定電壓只能使人造關(guān)節(jié)彎曲在某一個固定的角度，而他們則想了解人造關(guān)節(jié)在周期性變化的交變電壓中是如何運(yùn)動的。
“我們發(fā)現(xiàn)交變電壓可以使人造關(guān)節(jié)在不同的角度連續(xù)彎曲。尤其，當(dāng)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量或者所施電壓大到一定程度時， 關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)角度彎曲，也就是大于90度角至180度的彎曲，同時也將遵循一種不同于常規(guī)振動的特殊規(guī)律。”
趙教授說，這種新的現(xiàn)象使介電彈性關(guān)節(jié)成為制作輕軟型機(jī)器翅膀的候選材料。 介電彈性材料的發(fā)動機(jī)比電力發(fā)動機(jī)有著更高的能量轉(zhuǎn)換率(60%到90%的能量轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)
相比基于堅硬材料的傳統(tǒng)機(jī)器人，軟性機(jī)器人有很多有優(yōu)點(diǎn)，如更安全的人機(jī)接觸，更有效穩(wěn)定的移動和高適應(yīng)性的彈性形變。介電彈性材料因其柔軟輕質(zhì)的內(nèi)在特點(diǎn)和優(yōu)秀的電動機(jī)械性能，而被認(rèn)為是最接近人類肌肉的材料，近幾年廣受軟性科技科學(xué)家們的青睞。
在兩個柔韌電極之間加入軟性絕緣彈性材料片就組成了介電彈性材料，當(dāng)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。不同于基于硬質(zhì)如硅材料的促動器，介電彈性材料可能實(shí)現(xiàn)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(jī)器人技術(shù)，可調(diào)光學(xué)器件和細(xì)胞操作等領(lǐng)域的發(fā)展提供了很多新的可能性。
趙教授的實(shí)驗(yàn)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(tài)結(jié)構(gòu)，”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制成。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(dá)到一個能量最低的平衡狀態(tài)。
當(dāng)對介電彈性材料施加幾千伏的低電流時， 框架會隨著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著一個軸伸縮彎曲，研究者們將兩塊硬質(zhì)的框架固定在主框架的兩邊，整個系統(tǒng)于是就形成了可轉(zhuǎn)動的人造關(guān)節(jié)。 動態(tài)地改變施加的電壓會動態(tài)地改變關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，這一特點(diǎn)使該結(jié)構(gòu)成為了制作軟性器材的一種有效結(jié)構(gòu)。
一種新的振動現(xiàn)象
在趙教授的實(shí)驗(yàn)中，研究者們用交變方波電壓激勵人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。交變方波是一種周期性開啟關(guān)閉的電壓，它不同于以往的科學(xué)家“常用穩(wěn)定電壓來研究人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動。”
“交變電壓的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠在不同電壓值之間切換，從而使得人造關(guān)節(jié)得以連續(xù)地轉(zhuǎn)動彎曲！壁w教授說。
新的實(shí)踐也帶來了新的結(jié)果。通過在實(shí)驗(yàn)測試不同的參數(shù)， 如調(diào)整所加電壓值和頻率，改變?nèi)嗽礻P(guān)節(jié)的質(zhì)量， 趙和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一個新的振動現(xiàn)象：當(dāng)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量或者所施加的電壓大到一定程度的時候， 它能夠?qū)崿F(xiàn)超過90度的負(fù)角度彎曲，如鳥類的翅膀一樣上下扇動。
“實(shí)現(xiàn)負(fù)角度彎曲時， 人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動變得更加復(fù)雜，所遵循的振動規(guī)律也和常規(guī)不同, 我們稱之為非線性振蕩！壁w說。
在常規(guī)振動中，關(guān)節(jié)的彎曲振動總是緊跟所施電壓的頻率，當(dāng)電壓頻率和自身的頻率相同時，達(dá)到最大的彎曲程度。而在非線性振蕩中，只有當(dāng)電壓頻率接近且略小于兩倍的人造關(guān)節(jié)本征頻率時，關(guān)節(jié)才能達(dá)到其最大的彎曲角度。同時，在非線性振蕩中，人造關(guān)節(jié)振蕩的幅度也大于常規(guī)振蕩時的情況，這也暗示著在這種特殊的振蕩中，人造關(guān)節(jié)能夠產(chǎn)生更大的牽引拉力。
趙教授強(qiáng)調(diào)說，這一新現(xiàn)象和其規(guī)律為實(shí)現(xiàn)很多新型的軟材料器件提供了可能性，如用來制造對環(huán)境和承重有特殊要求的輕軟性機(jī)器人，可以產(chǎn)生很大牽引力的軟性機(jī)器翅膀等等。另外，這種介電彈性材料同時還具有著很高的能量密度(比一般電磁促動器高70倍)和高轉(zhuǎn)換效率(60%到90%)， 因此也是制作各種節(jié)能器件的絕佳選擇，趙教授說。
研究者們下一步的計劃是改進(jìn)介電彈性材料關(guān)節(jié)的功能，改善制作生產(chǎn)技術(shù)，從而制作出一只真正的機(jī)器翅膀。
