浙大研发世界首个可自愈机器心脏灵感来自蜘蛛心脏搭配中国传统桐油

2021-04-21 18:05:26 来源:新浪科技综合
浙大研发世界首个可自愈机器心脏灵感来自蜘蛛心脏搭配中国传统桐油

  来源: DeepTech深科技

  是什么让这条软体机器鱼优哉游哉?

 图 | 软体机器鱼(来源:受访者)

  又是什么让这款机器人小车滚滚前行?

 图 | 机器人小车(来源:受访者)

  虽然一个是 “鱼”、一个是车,看似风马牛不相及,但它们有着共同的 “机器心脏”—— 柔性电液泵。

 图 | 柔性电液泵(来源:受访者)

  该“心脏” 由浙江大学机械工程学院邹俊课题组设计,也是世界首个可通过自身液体自愈的柔性电液泵。

  他告诉 DeepTech,研究灵感来自于蜘蛛,其体内含有一套独特的生物液压系统,蜘蛛心脏是核心动力部件,通过心脏把血淋巴泵送到腿部,血淋巴的液压能量、就能转换为腿部的敏捷运动。

  此外,蜘蛛的自然进化,可让血淋巴主动对受损组织、或皮肤进行自修复,从而极大提高环境适应力。

图 | 柔性电液泵的结构、原理以及自愈(来源:受访者)

  邹俊表示:“一直以来,跑冒滴漏和噪声问题,是液压系统的顽疾,这严重制约了液压系统的应用。”

  此外,传统液压系统由于便携性差,使用时非常受限。那么能否研究出一种液压泵,其功能类似于蜘蛛心脏,既能驱动又能自愈呢?

图 | 蜘蛛心脏位置(来源:受访者)

  受此启发,他和团队研发出这款柔性电液泵,通过电场就能实现介电液的静音泵送,还可通过在液体中添加自愈因子,实现破损和渗漏区域的自我修复。

  4 月 14 日,Nature Communications 报道了这一研究成果,论文标题为 “Customizing a self-healing soft pump for robot”。其中,浙江大学博士研究生唐威为论文第一作者,张超副研究员和邹俊教授为论文通讯作者。

 图 | 相关论文(来源:受访者)

  当古老的桐油遇见科学

  据邹俊介绍,无需移动部件,柔性电液泵就能实现液体的运动与操控。

  其主要构件包括:一个带有四个圆孔的柔性环电极、两个带有四个针的柔性针电极、两个绝缘电极支架、和一个绝缘弹性体外壳。

图 | 柔性电液泵的基本结构(来源:受访者)

  研究中他和团队发现,由柔性硅橡胶材料制成的针孔电极对,可实现电流体的动力输出,基于此他和团队设计出了由全柔性材料制作的柔性电液泵。

  为了实现类似蜘蛛血液的自愈功能,他改进了柔性电液泵泵送的电响应介电液体,并在其中均匀融入桐油液体。

  这样可让电响应介电液体、蜕变成一种可修复破损硅胶外壳的自愈性液体,从而实现液体泵送和自我修复的双重功能。

图 | 戳破外壳来进行自愈能力检测(来源:受访者)

  其中,中国古人就在使用的桐油,在研究中起到了重要作用。

  桐油是一种干性油,它由氧键脂肪羧酸残基和活性共轭碳 - 碳双键组成,因此具有优良的固化性能,其在空气中会固化成膜,并可用于修复受损的柔性材料。

  因此,基于桐油改进后的功能液体,不仅具备电流体的驱动性能,又具备桐油的修复功能,柔性材料再也无惧损坏。

图 | 被戳破后的流体具备自愈功能(来源:受访者)

  改进后的功能液体,全名叫癸二酸二丁酯 - 桐油溶液,里面均匀地溶解着桐油。

图 | 柔性电液泵自愈液体治疗损伤的示意图(来源:受访者)

  当桐油暴露在空气中时,由于活性共轭碳 - 碳双键很容易和氧气结合,因此会被和氧连接的脂肪羧酸残基吸收,从而引发均聚反应,最终会形成固体膜。

  当柔性材料受到损伤时,泵内自愈液会暴露在空气中,凝固后即可自动修复损伤。修复完成后,泵不仅能恢复正常工作,而且不发生任何泄漏。

图 | 功能性液体的自愈能力(来源:受访者)

  同时,受损后的自愈材料,其原来的特征也可得到保留。

  具体来说,在 20℃ 时,自愈膜的储能模量为~14.3kpa,在 25℃ 时为~13.2kpa,在 30℃ 时为~10.6kpa。

  在以上三种温度下,自愈膜的损耗模量分别为−3.1 kPa、−2.5 kPa 和−2.1 kPa。由此可见,能量损失非常少。

图 | 自愈膜的储能模量及损耗模量测试(来源:受访者)

  为了进一步验证自愈膜、和硅橡胶膜之间的粘附性能,邹俊对这两种膜进行了重复拉伸试验。

  把硅橡胶膜以每次 20% 的应变、重复拉伸 200 次后发现,硅橡胶膜与自愈膜仍能牢固地粘结在一起,这说明它们之间具有良好的粘结性能。

图 | 自愈膜与硅橡胶膜的粘接拉伸测试(来源:受访者) 

  但温度对自愈时间有着明显影响,同样受损情况下,35℃ 环境中完全自愈耗时约 6 小时,24℃ 环境中自愈耗时约 1 天。

  修复后的流体动力系统,能连续工作 2 小时,而且全程无泄漏,这证明了该自愈方法的有效性和可靠性。

  不过,这种自愈只能在空气中实现,而无法在水中实现,因为水中缺乏与空气的接触。

图 | 自愈过程(来源:受访者)

  就柔性电液泵的工作步骤来说,当泵内充满功能液体时,在柔性针孔电极的电场作用下,针孔之间可以产生射流,以便实现泵送功能。

图 | 柔性针孔电极对之间产生强大的射流(来源:受访者)

  由于柔性针电极、位于柔性孔电极两侧,通过电路的切换,柔性电液泵能快速实现流体的正反向流动,从而变成一个高度可控的双向变量液压泵。

图 | 用柔性电液泵在两个圆柱形储罐之间泵液体(来源:受访者)

  其工作原理是,在正极和接地电极之间的强烈、且不均匀电场作用下,针电极附近少量中性液体分子中的电子,被剥离变成正离子。

  在库仑力(一种物理学定律)的作用下,这些自由的正离子、从针电极快速移动到孔电极,并拖动大量的中性液体分子、与之一起流过孔电极,从而形成强大的射流。

 图 | 柔性电液泵的工作原理(来源:受访者)

  当正离子到达孔电极时,正离子在接地的孔电极上放电,重新变成中性液体分子。在通电情况下,这些过程会持续进行,泵内液体也会一直流动。除非切断电流,流动才会停止。

  此外,邹俊还对柔性电液泵进行了理论建模,并用仿真软件 COMSOL Multiphysics 进行了数值模拟。

 图 | 柔性电液泵带来的动力(来源:受访者)

  为了匹配柔性电液泵,他们还主设计出一款小型驱动电路板,该电路板使用电池、或无线电力传输系统作为动力,它能让柔性电液泵实现双向可逆泵送。

  结合小型驱动电路板,柔性电液泵可嵌入不同的液压动力系统和机器人系统,从而让前文的软体机器鱼和机器人小车实现无束缚运动,这也是无束缚软体机器人中的巨大进步。

图 | 柔性电液泵的数值模拟结果(来源:受访者)

  可实现液压系统的 “私人订制”

  实际应用中,就电液泵的外貌和泵送能力来说,不同液压动力系统的需求,也各不相同。庆幸的是,柔性电液泵的尺寸和形状,可根据具体需要进行定制。

  泵的尺寸可大可小,为的是可以匹配不同尺度的机器人系统。此外,柔性电液泵的外壳和电极配置的设计空间很大,比如可以设计成圆柱形、三角形、五角形和模仿心脏外形等。

 图 | 各种尺寸及形貌的柔性电液泵(来源:受访者)

  另外,柔性电液泵通过针孔电极对产生流动,产生的流量与压力较大,并且它由轻量化的柔性材料制成,质量也比较轻。

  相比同尺寸的传统刚性泵,在同样重量下,这种泵能产生更大的输出流量和压力,同时具备较好的可携带性。

  在可控性上,柔性电液泵为一种电控泵,只需结合驱动电路板,就可实现快速双向可逆控制。

图 | 柔性电液泵的泵送性能及性能对比(来源:受访者)

  在驱动上,它可实现静音驱动,因为它不含可移动部件,因此驱动时既没有声音、也没有振动。

  当然最重要的,是柔性电液泵的自愈能力,一旦柔性材料能实现自我修补,就能给相关设备节约制造成本。

  不过邹俊也坦言,目前的柔性液压泵只是初期版本,在驱动能力、制作方式和响应速度上,还有较大提升空间。

  其还表示:“该研究为液压系统的静音驱动和自修复,提供了新型解决方案,有望大幅提升液压系统的环境自适应能力,同时也为穿戴式装备的无绳驱动,提供了新思路。”

原标题:浙大研发世界首个可自愈机器心脏灵感来自蜘蛛心脏搭配中国传统桐油

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