(左)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。(右)用來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)制作柔軟，輕巧， 具有高能量轉(zhuǎn)換效率的促動(dòng)器或發(fā)動(dòng)機(jī)，且可以承受很大程度的彈性變形。 科學(xué)家們由此對(duì)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(dòng)閥門--還有,會(huì)扇動(dòng)的機(jī)器翅膀。
在本周發(fā)表在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)《應(yīng)用物理快報(bào)》的一篇研究文章中， 來(lái)自中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者們闡述了他們?cè)诮殡姀椥泽w中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)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(dòng)，如鳥(niǎo)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(shuō)。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(dòng)以研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，穩(wěn)定電壓只能使人造關(guān)節(jié)彎曲在某一個(gè)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(dòng)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(dòng)慣量或者所施電壓大到一定程度時(shí)， 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(shí)也將遵循一種不同于常規(guī)振動(dòng)的特殊規(guī)律。”
趙教授說(shuō)，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(dòng)機(jī)比電力發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)
相比基于堅(jiān)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)電極之間時(shí)， 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(dòng)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(zhǎng)度而不會(huì)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(dòng)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(gè)薄而有彈性的框架中而制成。粘貼過(guò)后，延展的介電材料會(huì)自然收縮，其收縮力會(huì)使框架自然彎曲，最終達(dá)到一個(gè)能量最低的平衡狀態(tài)。
當(dāng)對(duì)介電彈性材料施加幾千伏的低電流時(shí)， 框架會(huì)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(gè)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(gè)系統(tǒng)于是就形成了可轉(zhuǎn)動(dòng)的人造關(guān)節(jié)。 動(dòng)態(tài)地改變施加的電壓會(huì)動(dòng)態(tài)地改變關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(lì)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。交變方波是一種周期性開(kāi)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(lái)研究人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。”
“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(dòng)彎曲。”趙教授說(shuō)。
新的實(shí)踐也帶來(lái)了新的結(jié)果。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)新的振動(dòng)現(xiàn)象：當(dāng)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者所施加的電壓大到一定程度的時(shí)候， 它能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)90度的負(fù)角度彎曲，如鳥(niǎo)類的翅膀一樣上下扇動(dòng)。
“實(shí)現(xiàn)負(fù)角度彎曲時(shí)， 人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜，所遵循的振動(dòng)規(guī)律也和常規(guī)不同, 我們稱之為非線性振蕩。”趙說(shuō)。
在常規(guī)振動(dòng)中，關(guān)節(jié)的彎曲振動(dòng)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(shí)，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(shí)，關(guān)節(jié)才能達(dá)到其最大的彎曲角度。同時(shí)，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(shí)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(shuō)，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(lái)制造對(duì)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(shí)還具有著很高的能量密度(比一般電磁促動(dòng)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(shuō)。
研究者們下一步的計(jì)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。
