角行程执行器

气动执行器因其弯曲程度高、自由度大、环境适应性强等特点，在医疗保健、复杂地形勘探等领域有广泛的应用前景。但由于其压力系统离不开笨重且刚性的泵驱动气体设备，极大地限制了执行器的尺寸和移动性，以及在室外环境中的应用。液-气相变复合材料是一种在柔性弹性体中掺杂液-气相变材料而形成的智能材料。当温度达到材料沸点时，液滴蒸发产生压力，带动复合材料膨胀，因此每个微液滴都可以看作是一个气动单元。通过这种方式，将气源和气泵的功能集成到主要材料中，大大降低了系统的复杂性。然而，相变执行器的加热方式受到焦耳加热或环境加热的限制，需要外接电源或更高的环境温度，这阻碍了其更广泛的应用。此外，目前对执行器变形行为的监测通常由光学相机记录，然后对获得的图像进行后分析，缺乏实时性。因此，如何设计一个无系绳，且具有感知自身运动的柔性执行器仍是一个挑战。针对上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所增材制造材料技术团队程昱川研究员和孙爱华研究员基于石墨烯、低沸点溶液微滴和硅橡胶，制备了一种集成变形驱动和传感特性于一体的光响应液-气相变弹性体(PRPTE)(如图1)。PRPTE具有优异的机械性能，在100℃时，低沸点发生液-气相变产生的轴向力可以高达自身重量的400倍，且稳定性良好。以该材料为主动层材料，团队采用4D打印技术制备了一系列柔性执行器，实现弯曲、抓取和爬行等光控程序化运动(如图3)。尤其重要的是，基于电容变化PRPTE表现出自传感特性。石墨烯吸收近红外光产生热量，低沸点液体发生液-气相变，介电常数减小；石墨烯因硅橡胶膨胀而逐渐分散，弹性体介电常数减小；同时电极间距增大。在以上三个因素的共同作用下，PRPTE的电容会迅速减小，从而实现对其变形的实时感知。模仿生物体利用其自身信号反馈调节肌肉收缩和拉伸，从而进行复杂运动，团队制备了一种人工肌肉(如图2)。该人工肌肉可以通过反馈的电容值得知腿部弯曲角度，并根据需要的角度进行精确控制。该研究实现了柔性执行器的驱动/传感一体化功能集成，为设计和制造具有集成自感知能力的软机器人提供了新思路。该工作以“4D printing Light-Driven soft actuators based on Liquid-Vapor phase transition composites with inherent sensing capability”为题发表在Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140271 。本研究得到了浙江省自然科学基金(No.LZ22E030003)、国家重点研发计划(No.2021YFB3701500)、国家自然科学基金(No.11874366)和宁波市重大科技攻关(No.20211ZDYF020228)等项目的支持。图1 PRPTE执行器的驱动、传感原理和制造图2 PRPTE传感性能的表征图3 4D打印PRPTE/PDMS双层结构执行器

海顿科克直线传动是设计直线运动产品的主要生产厂家，现全新推出SAA06系列电动SplineRail线性执行器。一般来说，直线运动都要求两个独立的组件来处理驱动和导向，但是海顿科克的SR滑轨将这两个机构简化结合在一个单一的，同轴机构中。 该SR滑轨采用了轴承支撑的精密冷轧科克丝杠，置于同轴铝导套内，用以驱动Kerkite聚合物材料的集成螺母套。铝型材花键提供了良好的扭转稳定性。 KerKote TFE涂层和自润滑Kerkite螺母套材料确保使用寿命长，免维护。该电动SR滑轨使用海顿Size17的单叠厚或者双叠厚直线步进电机。 当垂直安装时，该滑轨也可以用于同时提升和旋转（Z轴）。用一个电机驱动螺杆，另一个转动导轨，这样就建立了一个自动抓放机构。螺杆导程从0.05&rdquo 到1.2&rdquo 提供了宽泛的性能区间，包括不需要外部动力或刹车就可以支撑负载的自锁螺纹。海顿科克专门从事客户运动解决方案，而SR滑轨就是基于此而研制的多功能平台。 该产品可以广泛应用在医疗器械，半导体设备，科学仪器，包装机械等一系列自动化设备上，得益于海顿和科克两个产品的完美结合，大大节省了安装空间，简化了机械结构，并且产品质量优异，免维护！ 更多信息请访问海顿直线电机（常州）有限公司网站http://www.haydonkerk.com.cn

柔性微型机器人在体积、重量上都远小于传统的刚性机器人，可以胜任诸如狭小地形探测、灾害救援等很多大型机器人难以完成的工作。但是在触觉感知能力上，微型机器人由于带负载能力弱、尺寸小，其通常无法直接搭载商用传感器和应用传统感知解决方案来获得感知能力，必须通过与微型机器人的结构与功能相匹配的特殊设计，定制微型机器人的传感器。因此如何在微型机器人驱动力弱、功率密度低、结构尺寸小的限制下实现机器人对外界环境的触觉感知，对赋予微型机器人实用化和智能化具有重要意义。图1.（a）昆虫触角系统的解剖示意图；（b）安装仿生触角的微型机器人；（c）仿生触角感受器的传感原理；（d）仿生触角在机器人主动感知中的应用示意图近日，清华大学深圳国际研究院张旻、王晓浩团队受自然界中昆虫触角的启发，提出了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的自供电仿生触角传感器（SBA），用于微型机器人的自主环境感知，辅助微型机器人进行障碍躲避和地形预判。该仿生触角主要由感受器、硬质导线和执行器单元三个部分组成，分别模拟了昆虫触角中的机械/接触化学感受器、神经纤维和肌肉纤维(图1)，完成接触感知、信号传导和驱动工作。仿生触角感受器由银纳米线包覆的多孔弹性体（ACES）为原材料制成，文中探究了ACES的制备工艺、导体性能和摩擦电性能。当感受器部分与外界环境中的物体进行接触时，与外界物体之间形成单电极式摩擦纳米发电机进行信号输出，反映感受器与外界环境的接触状态以及接触物的材料属性。执行器单元由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜骨架和形状记忆合金（SMA）弹簧构成，赋予仿生触角水平方向和竖直方向的运动自由度，使得感受器部分可以进行自主检测动作，实现主动感知。单个仿生触角的重量约为70mg，并在体积和集成性上与微型机器人相匹配。图2.基于仿生触角的微型机器人感知系统图3.（a）仿生触角在水平面上的主动感知（在避障过程中，机器人通过读取墙壁上预设的材料指令完成预设路线的行进）；（b）不同接触材料对应的开路电压信号 图4.（a）仿生触角在竖直面上的主动感知；（b）不同地形对应的开路电压信号输出研究团队进一步设计了基于仿生触角的微型机器人感知系统（图2）。通过仿生触角的水平扫掠运动，微型机器人能够主动收集墙壁上预先设置的“材料指令”，使机器人按照预先设定的路线移动（图3）。通过仿生触角的垂直摆动动作，感受器能够区分平面、边缘和斜坡/台阶地形，使微型机器人具有判断地形通过性的能力，保证微型机器人在复杂地形行驶的安全性（图4）。相关成果以“用于微型机器人触觉感知的摩擦纳米发电机自供电仿生触角”（Self-Powered Bionic Antenna based on Triboelectric Nanogenerator for Micro-Robotic Tactile Sensing）为题发表于《纳米能源》（Nano Energy）上。论文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院张旻副研究员，第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级硕士研究生朱德宽。