使用電和水一種新型電機可以將微型機器人滑動

環顧四周，你可能會看到電動機上的東西。它們功能強大，效率高，可以保持我們世界的大部分運動，從我們的計算機到冰箱，再到我們汽車的自動窗戶。但是當這種電動機縮小到小于一立方厘米的尺寸時，這些品質會變得更糟。

麻省理工學院林肯實驗室的化學，微系統和納米技術集團的工作人員Jakub Kedzierski說：“在非常小的尺度上，你得到的是加熱器而不是電機。” 今天，在微型計算機上不存在既高效又強大的電機。這是一個問題，因為需要這種規模的電動機才能使小型化系統運轉 - 微型可以將激光器指向數千英里的一小部分，微型無人機可以擠入殘骸中尋找幸存者，甚至是機器人可以爬過人體消化道。

為了幫助像這樣的電力系統，Kedzierski和他的團隊正在制造一種稱為微液壓執行器的新型電動機。執行器的移動精度，效率和功率水平在微觀尺度上是不可能實現的。描述這項工作的論文發表在2018年9月的“ 科學機器人”雜志上。

微液壓執行器使用稱為電潤濕的技術來實現運動。電潤濕將電壓施加到固體表面上的水滴以扭曲液體的表面張力。致動器利用這種扭曲來迫使致動器內的水滴移動，并與它們一起移動整個致動器。

“想想窗戶上的一滴水; 重力使它扭曲，它向下移動，“Kedzierski說。“在這里，我們使用電壓來引起失真，從而產生運動。”

致動器構造成兩層。底層是一塊金屬片，上面刻有電極。該層覆蓋有電介質，絕緣體在施加電場時變得極化。頂層是一片聚酰亞胺，一種堅固的塑料，在其中鉆有淺通道。通道引導在兩層之間施加的數十個水滴的路徑并與電極對齊。為了阻止蒸發，將水與氯化鋰溶液預混合，氯化鋰溶液壓縮水的蒸氣壓足以使微米級液滴持續數月。由于它們的表面張力和相對小的尺寸，液滴保持其圓形形狀(而不是在層之間壓扁)。

當電壓施加電壓時，致動器會起作用，但不會立即對所有電極施加電壓。它是在每次打開每個液滴兩個電極的循環中完成的。在沒有電壓的情況下，單個水滴中性地放置在兩個電極1和2上。但是向電極2和3施加電壓，并且突然液滴變形，拉伸以接觸通電電極3并拉出電極1。

一個液滴中的水平力不足以移動致動器。但是，當該電壓周期與陣列中每個液滴下方的電極一致地施加時，整個聚酰亞胺層滑過以平衡液滴對通電電極的吸引力。繼續循環通過電壓，液滴繼續在電極上行走，層繼續滑過; 關閉電壓，執行器停在其軌道上。然后，電壓成為精確控制執行器運動的強大工具。

但是執行器如何抵抗其他類型的電機?衡量性能的兩個指標是功率密度，或電機相對于其重量產生的功率，效率或浪費能量的量度。在效率和功率密度方面最好的電動馬達之一是特斯拉Model S轎車的馬達。當團隊測試微液壓執行器時，他們發現它們僅落后于Model S的功率密度(0.93千瓦/千克)和效率輸出(在最大功率密度下效率為60%)。它們廣泛地超過了壓電致動器和其他類型的微致動器。

“我們很興奮，因為我們正在達到這個基準，而且隨著我們擴大到更小的尺寸，我們仍在改進，”Kedzierski說。由于不管水滴大小如何，表面張力保持不變，因此致動器的尺寸更小 - 而較小的液滴可以為更多的液滴擠壓并在執行器上施加水平力。“功率密度剛剛上升。這就像擁有一根繩子，它的強度不會因為變薄而減弱，“他補充道。

最新的執行器，靠近Model S的一個邊緣，在液滴之間有48微米的間隔。該團隊現在縮小到30微米。他們預測，在這種規模下，執行器將與特斯拉Model S的功率密度相匹配，并且在15微米處對其進行遮擋。

將執行器縮小只是等式的一部分。團隊正在積極研究的另一個方面是3D集成。目前，單個執行器是一個雙層系統，比塑料袋更薄，并且像一個塑料袋一樣靈活。他們希望將執行器堆疊在類似腳手架的系統中，該系統可以三維移動。

Kedzierski設想這樣一個系統模仿我們身體的肌肉基質，這是一種組織網絡，可以讓我們的肌肉實現瞬間，強大和靈活的運動。比肌肉強十倍，執行器在很多方面受到肌肉的啟發，從靈活性和輕盈到流體和固體成分的組成。

正如肌肉在螞蟻或大象的尺度上是一個出色的執行器一樣，這些微型液壓執行器也可以產生強大的影響，不僅在微觀尺度，而且在宏觀上。

“有人可能會想到，”Eric Holihan說，他正在組裝和測試執行器，“這項技術應用于外骨骼”，它是用致動器作為栩栩如生的肌肉制造的，配置成柔性關節而不是齒輪。或者飛機機翼可能在電氣指令上變形，數千個執行器相互滑動以改變機翼的空氣動力學形式。

雖然他們的想象力正在攪拌，但該團隊在開發大型執行器系統時面臨著挑戰。一個挑戰是如何在該卷上分配功率。在開發微電池以與執行器集成的實驗室的并行努力可以幫助解決該問題。另一個挑戰是如何封裝執行器以消除蒸發。

“在我們展示解決方案之前，可靠性和包裝將繼續成為我們對該技術提出的主要問題，”Holihan說。“這是我們希望在未來幾個月里繼續攻擊的東西。”