實驗名稱：介電彈性體肌肉制成的受水蛭啟發的軟機器人研究

　　研(yan)究方向：水蛭(zhi)運(yun)動的(de)(de)(de)(de)特點(dian)是吸盤附著和(he)身體(ti)(ti)收縮交替，在(zai)復(fu)雜(za)地形(xing)上提供了(le)高(gao)度的(de)(de)(de)(de)適應性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)。在(zai)此，首(shou)次提出了(le)一種受(shou)水蛭(zhi)啟發的(de)(de)(de)(de)摩擦電(dian)軟機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)，能夠進行(xing)兩棲運(yun)動、攀爬(pa)和(he)負重爬(pa)行(xing)。開發了(le)一種高(gao)性(xing)(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)摩擦電(dian)仿生機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)系統，用于驅動和(he)控制電(dian)響應軟體(ti)(ti)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)。爬(pa)行(xing)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)因其對不同(tong)環境的(de)(de)(de)(de)特殊適應性(xing)(xing)(xing)(xing)而受(shou)到了(le)相(xiang)當大(da)的(de)(de)(de)(de)關注，并(bing)應用于環境監(jian)測、勘探生物醫(yi)學和(he)設備檢查。盡管許(xu)多剛(gang)性(xing)(xing)(xing)(xing)爬(pa)行(xing)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)，包(bao)括輪式、跟蹤(zong)和(he)legged變(bian)體(ti)(ti)，它(ta)們(men)能夠為精細的(de)(de)(de)(de)操作或重型舉重提供精確的(de)(de)(de)(de)控制和(he)高(gao)有效載荷能力，它(ta)們(men)對由剛(gang)性(xing)(xing)(xing)(xing)關節組成的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜(za)機(ji)(ji)構(gou)的(de)(de)(de)(de)依賴限(xian)制了(le)它(ta)們(men)穿越(yue)復(fu)雜(za)地形(xing)的(de)(de)(de)(de)能力。與(yu)剛(gang)性(xing)(xing)(xing)(xing)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)相(xiang)比，軟體(ti)(ti)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)重量輕(qing)、可變(bian)形(xing)、成本低(di)、材料靈活，并(bing)且具有出色(se)的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)械(xie)柔性(xing)(xing)(xing)(xing)。使它(ta)們(men)能夠模仿無脊椎動物（章魚、毛蟲和(he)蛇在(zai)復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)(de)環境中爬(pa)行(xing)，包(bao)括不平坦或粗(cu)糙(cao)的(de)(de)(de)(de)表面和(he)狹窄(zhai)的(de)(de)(de)(de)隧道。

　　目前，軟(ruan)爬(pa)行(xing)(xing)機器(qi)(qi)人(ren)可(ke)以根(gen)據它(ta)們的(de)激活(huo)機制(zhi)(zhi)進(jin)行(xing)(xing)分類，包括電(dian)(dian)、磁、化學、熱(re)、光、壓力(li)、和濕度。它(ta)們根(gen)據與外(wai)(wai)(wai)部(bu)電(dian)(dian)源(yuan)或(huo)控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)連接進(jin)一(yi)步分為(wei)(wei)非(fei)系(xi)(xi)(xi)留(liu)機器(qi)(qi)人(ren)和系(xi)(xi)(xi)留(liu)機器(qi)(qi)人(ren)。無系(xi)(xi)(xi)留(liu)機器(qi)(qi)人(ren)以其高(gao)機動性(xing)和操作靈活(huo)性(xing)而聞名，廣泛用于(yu)探索無法進(jin)入的(de)區域、執行(xing)(xing)遙感或(huo)執行(xing)(xing)復(fu)雜的(de)任務。最(zui)近提出(chu)(chu)的(de)摩(mo)擦電(dian)(dian)軟(ruan)體(ti)機器(qi)(qi)人(ren)有效地解決了高(gao)壓供電(dian)(dian)電(dian)(dian)路故障帶(dai)來的(de)問題。通過利用摩(mo)擦納米發電(dian)(dian)機（TENG）的(de)高(gao)電(dian)(dian)壓和高(gao)阻抗特(te)(te)性(xing)，這些系(xi)(xi)(xi)統(tong)可(ke)以輕松(song)產生(sheng)數千伏特(te)(te)的(de)低輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)流（≈μA），而無需額外(wai)(wai)(wai)的(de)電(dian)(dian)路。確保電(dian)(dian)響應軟(ruan)體(ti)機器(qi)(qi)人(ren)的(de)穩(wen)定運行(xing)(xing)。TENG已(yi)被證明可(ke)以驅(qu)動電(dian)(dian)響應材料(liao)，例如液(ye)晶、電(dian)(dian)流變液(ye)和介(jie)電(dian)(dian)彈(dan)性(xing)體(ti)，表明TENG為(wei)(wei)軟(ruan)機器(qi)(qi)人(ren)提供動力(li)的(de)潛力(li)。此外(wai)(wai)(wai)，由于(yu)電(dian)(dian)荷轉移量小(xiao)，使用TENG驅(qu)動介(jie)電(dian)(dian)彈(dan)性(xing)體(ti)等材料(liao)可(ke)降(jiang)低高(gao)電(dian)(dian)場下薄膜破(po)裂(lie)的(de)風險(xian)，使其成為(wei)(wei)軟(ruan)體(ti)機器(qi)(qi)人(ren)的(de)理想電(dian)(dian)源(yuan)。

　　實驗(yan)(yan)目的(de)：使用高壓電源(yuan)(Aigtek,ATA-7100,100W)與(yu)HDC-TENG(多通道高壓輸出摩擦納米發電機(ji)（HDC-TENG）)進行比較，通過(guo)使用力傳(chuan)感器測量DM和TES組件(jian)兩(liang)個(ge)關鍵組件(jian)使能)的(de)機(ji)械特性來評估(gu)驅(qu)動(dong)電響應軟機(ji)器人的(de)能力，為后(hou)續實驗(yan)(yan)做論證和鋪墊。

　　測試設備：ATA-7100高壓放大器、信號發(fa)生器、示波器、數字源(yuan)表、陶瓷電阻(zu)器、單(dan)軸力傳(chuan)感器、激光距離傳(chuan)感器、高速相機(ji)、上位機(ji)

　　實驗過程：利用(yong)(yong)(yong)可變(bian)形(xing)肌肉(rou)和(he)(he)(he)(he)摩擦電(dian)(dian)(dian)吸盤，用(yong)(yong)(yong)于制造可變(bian)形(xing)肌肉(rou)的(de)(de)(de)(de)材料包括介電(dian)(dian)(dian)彈性體、碳潤滑脂和(he)(he)(he)(he)PET薄膜，采(cai)用(yong)(yong)(yong)靜電(dian)(dian)(dian)計、陶(tao)瓷電(dian)(dian)(dian)阻器(1MQ~50GΩ)和(he)(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)阻-電(dian)(dian)(dian)容分(fen)壓器測量HDC-TENG的(de)(de)(de)(de)開(kai)路(lu)電(dian)(dian)(dian)壓和(he)(he)(he)(he)功率曲線。用(yong)(yong)(yong)數字萬(wan)用(yong)(yong)(yong)表(biao)直接測量了短路(lu)電(dian)(dian)(dian)流和(he)(he)(he)(he)轉(zhuan)移電(dian)(dian)(dian)荷。使用(yong)(yong)(yong)掃描電(dian)(dian)(dian)子顯微鏡捕獲摩擦材料的(de)(de)(de)(de)顯微圖(tu)像。高(gao)壓電(dian)(dian)(dian)源(Aigtek,ATA-67110,100W)和(he)(he)(he)(he)信(xin)號發生器為(wei)DM供電(dian)(dian)(dian)，以便與HDC-TENG進行比較。在(zai)精(jing)密(mi)金屬激光切割工作站上加工dm用(yong)(yong)(yong)PET。采(cai)用(yong)(yong)(yong)單(dan)軸力傳(chuan)感(gan)器測量DM的(de)(de)(de)(de)阻塞(sai)力和(he)(he)(he)(he)TES的(de)(de)(de)(de)粘(zhan)附(fu)力。采(cai)用(yong)(yong)(yong)激光距離傳(chuan)感(gan)器(測量DM的(de)(de)(de)(de)突(tu)出長度。DM和(he)(he)(he)(he)TES的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)容值采(cai)用(yong)(yong)(yong)數字源表(biao)測定。使用(yong)(yong)(yong)相機連續記錄LSR的(de)(de)(de)(de)爬行速度，計算(suan)每(mei)單(dan)位時間爬行的(de)(de)(de)(de)距離。使用(yong)(yong)(yong)MATLAB和(he)(he)(he)(he)Origin進行數據處(chu)理和(he)(he)(he)(he)繪圖(tu)。

　　圖(tu)1介電彈性(xing)體肌肉(rou)制成的受水蛭啟發(fa)的軟機器(qi)人研(yan)究(jiu)實(shi)驗框圖(tu)

　　實(shi)驗(yan)結果：可以通(tong)過測量(liang)HDC-TENG在(zai)(zai)各種(zhong)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)內(nei)施(shi)加(jia)到(dao)DM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)來(lai)(lai)評估HDC-TENG對軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)性能（參(can)見圖2B）。帶有(you)(you)一段(duan)(duan)(duan)DM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)在(zai)(zai)1s內(nei)達到(dao)最(zui)大飽和(he)(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya);兩個段(duan)(duan)(duan)在(zai)(zai)1.5秒內(nei)到(dao)達它;和(he)(he)(he)(he)2.5秒內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三(san)個段(duan)(duan)(duan)。由(you)于(yu)肌肉(rou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1、2和(he)(he)(he)(he)3段(duan)(duan)(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容值(zhi)分別為298.49pF、556.38pF和(he)(he)(he)(he)674.91pF，DM段(duan)(duan)(duan)數量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)會(hui)提高軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容值(zhi)（由(you)于(yu)并聯），需(xu)要來(lai)(lai)自HDC-TENG的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)更多電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)才能達到(dao)飽和(he)(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。當(dang)HDC-TENG以不同速(su)(su)(su)度旋轉時，應用(yong)于(yu)具有(you)(you)1、2和(he)(he)(he)(he)3個肌肉(rou)段(duan)(duan)(duan)（3秒充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)配置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)變(bian)(bian)化。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)增(zeng)(zeng)加(jia)是由(you)于(yu)HDC-TENG在(zai)(zai)較高轉速(su)(su)(su)下增(zeng)(zeng)強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)(li)輸出（參(can)見圖2B、C），這會(hui)影響輸送到(dao)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和(he)(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)。圖2C、D顯(xian)示(shi)了(le)當(dang)HDC-TENG以不同轉速(su)(su)(su)運行時，軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)在(zai)(zai)DM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)1、2和(he)(he)(he)(he)3段(duan)(duan)(duan)中（3s充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻塞(sai)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)突(tu)起長(chang)(chang)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化。在(zai)(zai)240rpm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)和(he)(he)(he)(he)3s的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)下，軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三(san)段(duan)(duan)(duan)、兩段(duan)(duan)(duan)和(he)(he)(he)(he)一段(duan)(duan)(duan)DM分別產生(sheng)83.3mN/11.88mm、60.5mN/8.57mm和(he)(he)(he)(he)35mN/4.32mm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻塞(sai)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)位移。隨著可變(bian)(bian)形肌肉(rou)節段(duan)(duan)(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)阻擋(dang)(dang)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)位移都會(hui)增(zeng)(zeng)加(jia)。圖2E、F顯(xian)示(shi)了(le)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)（DM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)3段(duan)(duan)(duan)）在(zai)(zai)3秒充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)中阻塞(sai)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)突(tu)出長(chang)(chang)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化，HDC-TENG以240rpm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉速(su)(su)(su)運行。具有(you)(you)三(san)段(duan)(duan)(duan)DM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)在(zai)(zai)0.5-3s充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)循環期(qi)間產生(sheng)最(zui)大阻塞(sai)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)位移，如(ru)下所示(shi)：83.3mN/11.88mm、10.59mN/8.57mm、79.8mN/9.71mm、78.06mN/8.24mm、60.06mN/5.38mm和(he)(he)(he)(he)33.7mN/1.57mm。在(zai)(zai)1秒的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)內(nei)，軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能（阻擋(dang)(dang)力(li)(li)和(he)(he)(he)(he)突(tu)出長(chang)(chang)度）有(you)(you)顯(xian)著改(gai)善(shan)。隨著充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)(zhou)期(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)延長(chang)(chang)，這種(zhong)性能增(zeng)(zeng)強趨于(yu)穩(wen)定，與軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)增(zeng)(zeng)長(chang)(chang)曲(qu)線一致(zhi)(zhi)（見圖2B），突(tu)出表(biao)明HDC-TENG的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)和(he)(he)(he)(he)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)致(zhi)(zhi)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容值(zhi)是DM能否快速(su)(su)(su)變(bian)(bian)形的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)決定因素。

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