浙江大学邹俊教授课题组Cell Rep. Phys. Sci.封面文章：流体驱动的柔性双向扭转

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浙江大学邹俊教授课题组Cell Rep. Phys. Sci.封面文章：流体驱动的柔性双向扭转

高分子科技

2021-06-18

导读：该研究的双向扭转运动可用于多种应用场景，比如作为仿生脖子驱动“眼睛”环视周围的环境，使软体爬行机器人拥有与自然界生物类似的广阔视野。

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柔性系统具有高柔顺性、多自由度的特点，能够实现连续变形，具有良好的环境适应性，在医疗健康、智能制造等领域具有广泛的应用前景。在刚性系统中，借助轴承的支撑作用，转子在电磁、机械等驱动力作用下实现旋转运动。而柔性系统中缺乏刚性支撑，旋转（或扭转）运动难以实现，这也是柔性驱动面临的主要挑战之一。

针对这一挑战，邹俊教授课题组开展持续性的研究工作。2018年推出了负压驱动的柔性扭转单元，实现单向扭转运动；2019年通过多个扭转模块的组合实现了运动解耦扩展了单元的应用范围；近日利用折纸的重折叠效应实现了全柔性双向扭转运动。国际著名学术期刊Cell Reports Physical Science以封面论文的形式刊登了课题组的最新成果，“Re-foldable origami-inspired bidirectional twisting of artificial muscles reproduces biological motion”，博士生焦中栋为论文第一作者，邹俊教授为论文通讯作者。

执行器设计

众所周知，折纸的重点在于折痕，巧妙的折痕组合可以折出各样的图案。折痕分为谷线和峰线，谷线是凹下的折痕（图1虚线），峰线是凸起的折痕（图1实线）。如图1所示，在一张白纸上添加I所示的折痕图案，折叠时表现出逆时针扭转运动；添加II所示的折痕图案，折叠时则表现出顺时针扭转运动。如果将这两种折痕图案添加到同一张纸上，沿不同的折痕折叠，就可以使折纸沿不同的方向扭转，这就是折纸的重折叠效应。

图1. 折纸的重折叠效应

该研究从折纸的重折叠效应获取灵感，提出了基于折纸重折叠效应的双稳态柔性执行器设计方法。执行器内部是一个空腔，当侧面没有折痕时对其施加负压，会呈现不规则塌陷变形。而如果在侧面添加某一方向的斜槽作为折纸的谷线，对执行器施加负压后就可以分别实现顺时针、逆时针扭转。要实现双向扭转，则需要将执行器的气室一分为二，在两个气室的侧面分别添加逆时针斜槽和顺时针斜槽，控制两个气室的驱动顺序就可以实现双向扭转变形。不同的驱动顺序驱动气室相当于折纸沿不同的折痕折叠，执行器恢复初始状态相当于将折叠的纸展开成平面，这样就实现了柔性执行器的重折叠效应。

图2. 柔性执行器的重折叠效应

视频1. 基于折纸重折叠效应的双向扭转执行器

变形原理

执行器的两个气室被正中间的一片薄膜（厚度1.5 mm）隔开，每个侧面均有一条斜槽作为折痕，同一个气室的两条折痕倾斜方向相同，不同气室的折痕倾斜方向相反。

图3. 双向扭转执行器结构

双向扭转执行器的扭转方向通过顺序控制两个气室的压力实现。

以逆时针扭转为例：

(1) 将负压作用于气室B，气室B塌陷，其侧面的顺时针折痕诱导产生顺时针扭矩，使棱边3沿着顺时针方向弯曲。其余三条棱边由于有气室A的支撑没有被压弯。

(2) 接着将负压作用于气室A，气室A也开始塌陷，其侧面的逆时针折痕诱导产生逆时针扭矩，使棱边1、2、4沿着逆时针方向弯曲，执行器的顶面也跟着这三条棱边扭转，从而使已经弯曲的棱边3旋转为逆时针，整个执行器进入逆时针扭转状态。

类似地，如果改变执行器的驱动顺序，即先驱动气室A，后驱动气室B，执行器就进入了顺时针扭转状态。

图4. 双向扭转执行器驱动原理示意图（逆时针扭转）

用电机将执行器从逆时针扭转状态转到顺时针扭转状态（从M点到N点）时，电机受到的阻力方向出现了一次逆转，说明处于塌陷状态的双向扭转执行器具有明显的双稳态特性，该特性可以将已弯曲棱边的弯曲方向逆转，从而使执行器在扭转方向上达到稳定状态。这也就解释了棱边3在气室A驱动后弯曲方向逆转的现象：气室A的折痕为逆时针方向，驱动时会产生逆时针扭矩，该扭矩触发塌陷的棱边3（双稳态结构）进入逆时针扭转稳态。因此双稳态特性有助于执行器的双向扭转，从而实现两个扭转稳态之间的切换。

图5. 用电机转动塌陷执行器时的扭矩变化

视频2. 双向扭转执行器塌陷状态的双稳态特性

柔性执行器的扭转方向取决于斜槽的方向，如图6所示，当执行器仅有一个气室时，扭转方向即为斜槽的倾斜方向；当执行器有两个气室时，扭转方向取决于第二次驱动的气室的斜槽方向。

图6. 不同斜槽分布对执行器变形的影响

执行器侧面的斜槽宽度和深度对执行器的双向扭转均有影响，且斜槽深度的影响更为显著。当斜槽深度达到1.5 mm时，斜槽宽度在1.0-5.0 mm范围内均可实现双向扭转运动。而当斜槽深度为1.0 mm时，只有较宽的斜槽才能实现双向扭转运动。对于斜槽深度小于1.0 mm的执行器，即使将斜槽宽度增加到5.0 mm，也无法表现出双向扭转运动。该结果表明，更宽、更深的斜槽会使斜槽和执行器侧面的变形差异更加明显，使执行器产生足够的扭矩驱动棱边沿着斜槽的方向塌陷，实现所需的扭转运动。

图7. 斜槽的宽度和深度对执行器双向扭转性能的影响

在一些应用场景，需要调整执行器的尺寸以满足实际需求。如图8所示，放大或缩小执行器尺寸、增加或减小执行器高度，执行器依然可以保持双向扭转功能，可用于不同尺寸规模的定制。图3中的双向扭转执行器侧面是一个梯形，底面的边长大于顶面。除了梯形，当侧面为矩形时（底面和顶面边长相等），执行器也可以实现双向扭转变形，如图9所示。

图8. 放大或缩小执行器尺寸、增加或减小执行器高度后的变形

图9. 侧面为矩形的双向扭转执行器

性能测试

控制双向扭转执行器两个气室的驱动顺序，可以实现-75.14°（逆时针）到 74.99°（顺时针）的扭转范围，相当于3.75 °/mm，结合PID控制，可以实现该扭转范围内任意角度的精确控制。用-70 kPa的负压对双向扭转执行器进行连续10000次驱动后，执行器的扭转范围几乎不受影响，在保证最大扭转角度不变，且能恢复初始状态的情况下，执行器可以实现1.4 Hz的驱动频率，能满足大部分应用场景的需求。在驱动1 kg负载（~28倍自重）时，依然可以实现-40.72°到60.1°的扭转角度，相当于无负载时66%的扭转范围。用细针刺穿执行器的侧面后，其最大扭转角度也不受影响，依然可以用PID算法控制执行器运动到设定角度。

图10. 双向扭转执行器性能测试

仿生应用

该研究的双向扭转运动可用于多种应用场景，比如作为仿生脖子驱动“眼睛”环视周围的环境，使软体爬行机器人拥有与自然界生物类似的广阔视野。用于仿生手腕可以驱动柔性抓手调整抓取方向以适应被抓物体的摆放角度。用于仿生脚腕，可实现爬行机器人的原地双向旋转，大幅提升转向速度。此外，两个执行器模块组合还可实现弯曲和伸缩变形，模仿手和肱二头肌的运动，展示了其在软体机器人领域的巨大潜力。

图11. 双向扭转执行器的仿生应用

视频3. 双向扭转执行器复现脖子、手腕、脚腕的运动

视频4. 双向扭转执行器通过组合实现伸缩、弯曲运动

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100407

合工大吴玉程教授团队胡颖研究员《AFM》：恒定光照下产生自主趋光运动的柔性智能驱动器

清华大学吉岩副教授《Angew. Chem.》：可反复加工的热固性柔性驱动器

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