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清華大學劉辛軍、趙慧嬋 AFM：小尺寸柔性隔膜泵

2023-09-02 來源：高分子科技

小型流體泵是小型仿生機器人、可穿戴設備的關鍵技術之一，將小型流體泵集成到機器人或穿戴設備內部，并使其保持一定的柔性，在小型流體泵領域是個難點。

圖 1 柔性泵結構示意圖

近日，清華大學機械系劉辛軍、趙慧嬋團隊設計并制備了一種柔性雙腔室隔膜泵（圖 1），該泵由空心柱狀介電彈性體（通過條形薄膜卷繞而成）作為柔性泵的主動結構，柔性外殼作為被動結構，薄膜單向閥與前兩者配合控制流體的流向。該泵尺寸僅為2.36 cm³，能夠輸出7.5 kPa的背壓或者以空載狀態輸出340 mL/min的流量。該泵的輸出壓力能夠通過激勵電壓進行精確控制，團隊演示了通過該泵控制流體彈性體驅動器（圖 2A）位移精確變化的過程（圖 2B）。

圖 2 柔性泵控制流體彈性體驅動器伸長與收縮

該柔性泵可以實現最大90度的彎曲，在彎曲角度小于60度之前，其流量與壓力特性都沒有明顯減少（圖 3A）。該團隊將此泵以彎曲的狀態置于一個模擬血液循環系統的“主動脈弓”中（圖 3B），以驗證該泵具有在“心臟”受損的情況下輔助“血液”循環的能力。

圖 3 柔性泵彎曲狀態性能圖與應用演示

該團隊也測試了該泵對氣液兩種工作介質的適應能力，其能夠在驅動空氣與驅動水兩種介質之間任意切換（圖 4A），并成功將其用于驅動一單自由度兩棲爬行機器人（圖 4B與C）。

圖 4 柔性泵可以驅動氣體和液體工質

該工作以“Soft Pocket Pump for Multi-Medium Transportation via an Active Tubular Diaphragm”為題目發表在《Advanced Functional Materials》上，論文第一作者是清華大學機械系博士生姜淞文，通信作者為清華大學機械系劉辛軍教授與趙慧嬋副教授，其他作者包括中國海洋大學湯超副教授和清華大學機械系博士生東旭光等。

該工作是此團隊對介電彈性體縱向研究的又一成果。基于硅橡膠介電質的介電彈性體能夠以高頻率實現機械振動（＞100 Hz），該團隊對此類介電彈性體的研究起步于制備工藝與理論模型研究（Advanced Functional Materials, 2018, 28(42): 1804328），后續開展對其壽命保障的研究（Advanced Engineering Materials, 2021, 24(4): 2101017），并將其應用于實現一種亞厘米級管道環境的巡檢機器人（Science Robotics, 2022, 7(66): abm8597）和一種高速柔性旋轉電機（Advanced Intelligent Systems, 2023, 4(6): 2300243）。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305289

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（責任編輯：xu）

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