北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員提出了一種新的熱致動器設(shè)計，可用于在軟機(jī)器人設(shè)備中實現(xiàn)快速運(yùn)動。
“對于軟機(jī)器人來說，使用熱驅(qū)動并不是什么新鮮事，但軟熱驅(qū)動的最大挑戰(zhàn)是它們相對較慢——而我們已經(jīng)讓它們變得很快，”該論文的通訊作者和 Andrew A. Adams 的 Yong Zhu 說北卡羅來納州機(jī)械與航空航天工程特聘教授。
執(zhí)行器是設(shè)備的一部分——例如軟機(jī)器人——通過將能量轉(zhuǎn)化為功來產(chǎn)生運(yùn)動。
“使這種新的執(zhí)行器設(shè)計起作用的是一種具有雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，”該論文的第一作者和博士生吳雙說。北卡羅來納州立大學(xué)的學(xué)生。“想想一個按扣的發(fā)夾。它是穩(wěn)定的，直到你施加一定的能量(通過彎曲它)，然后它會咬合成不同的形狀——這也是穩(wěn)定的。”
在新的熱致動器的情況下，材料是雙穩(wěn)態(tài)的，但材料更喜歡哪種形狀取決于溫度。
這是它的工作原理。研究人員將兩種材料疊在一起，中間是銀納米線。這兩種材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，這意味著它們在加熱時以不同的速率膨脹。實際上，這意味著結(jié)構(gòu)在加熱時會彎曲。
然后將這種分層材料塑造成一種設(shè)計，使其在一個方向上具有默認(rèn)曲率 - 假設(shè)它向下彎曲。當(dāng)電壓施加到銀納米線時，材料會升溫，使其向另一個方向彎曲。一旦達(dá)到某個溫度——臨界溫度——材料就會迅速變成新的默認(rèn)形狀，并迅速彎曲。當(dāng)電壓被移除時，溫度會回落。一旦冷卻超過另一個臨界溫度，材料就會迅速恢復(fù)到其先前的默認(rèn)形狀，并迅速向下彎曲。注意兩個臨界溫度不同;第一個更高。通過以規(guī)則模式向納米線施加電流，您可以使材料來回彈跳。
為了演示該技術(shù)，研究人員創(chuàng)建了兩個原型。其中一個原型模擬了捕蠅草的捕捉行為，而另一個原型是能夠每秒移動超過一個身體長度的“爬行器”。
“潛在的應(yīng)用范圍從生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用到假肢設(shè)備再到高端制造，”朱說。“您希望能夠快速移動，但又希望避免使用剛性材料和傳統(tǒng)機(jī)器人的任何應(yīng)用。”
下一步包括開發(fā)傳感器和控制機(jī)制，使驅(qū)動過程更完全自動化，使其比純手動控制更有效地運(yùn)行。
“我們也有興趣探索其他可能的材料，以便我們可以微調(diào)熱性能和機(jī)械性能，”朱說。“這可以讓我們定制執(zhí)行器的速度和力。”
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