文章导读
相对传统刚性机器人，软体机器人以其柔性材料和结构具备了更强的适应性，广泛应用于抓取不规则物体、医疗、工业和农业等领域。软驱动器是软机器人的核心部件，常见类型包括介电弹性体致动器（DEA）、流体致动器、液压静电驱动器、形状记忆材料和水凝胶等。其中，液压静电驱动器因反应迅速快，能量效率高、功率密度高等优点受到广泛关注，然而，由于组成液压静电驱动器材料的介电常数较低以及自身的结构阻碍了其驱动变形的进一步发展。
近期，南京航空航天大学机电学院何青松研究员课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Optimized design and performance testing of hydraulic electrostatic actuator”的论文，研究了一种将提高材料介电常数的方法与电响应伸展型电液混合驱动器的优势结构相结合的液压静电驱动器。在初步的单因素实验之后，进行三因素三水平响应面分析，对液压静电驱动器的最大驱动应变进行优化。分析了BaTiO3@Al2O3含量、硅橡胶弹性体薄膜厚度(厚度)、预拉伸比例系数3个因素对驱动应变的影响，得到了最大驱动应变为16.47%。对优化后的液压静电驱动器进行驱动性能测试，并利用该驱动器构建了关节驱动装置和齿轮转向机构，验证了液压静电驱动器的潜在应用价值。
文章内容
基于静电吸附原理，设计了一种液压静电驱动器，其由硅橡胶膜、介电液体、导电碳浆、支架和导线组成（图1a-b）。当通过导线在驱动器两侧的碳浆上施加高压时，碳浆间存在高压电场，产生麦克斯韦应力，使硅橡胶膜在厚度方向压缩，由于硅橡胶不可压缩，因此硅橡胶弹性体在垂直方向产生驱动位移。此外，当硅橡胶膜在厚度方向被压缩时，硅橡胶膜内的液体也被压缩，由于液体的不可压缩性和良好的流动性，在垂直于硅橡胶膜厚度方向的平面内膨胀，进一步促使驱动器的致动位移增大。为探究各种影响因素对液压静电驱动器变形的影响，搭建了实验测试平台（图1c）。
图1. 液压静电驱动器的结构设计、驱动原理及测试方法。a）液压静电驱动器的结构组成及作动原理；b）液压静电驱动器的尺寸；c）液压静电驱动器驱动应变的测试方法
图2a显示厚度和BaTiO3@Al2O3含量的响应曲面图由边缘的蓝色迅速增加到峰值的红色。图2a底部的等高线图表明厚度和BaTiO3@Al2O3含量在中心圆外紧密堆积，对驱动应变具有明显的交互作用。图2b和图2c显示等高线图呈椭圆形且紧密堆积，响应曲面上具有巨大的增长梯度。这表明预拉伸比系数与BaTiO3@Al2O3含量之间以及预拉伸比系数与厚度之间存在明显的交互作用。通过Design-Expert 13.0软件分析，以驱动应变为最大目标函数，空载条件下驱动装置的优化参数为：BaTiO3@Al2O3含量为2.57 %、厚度为0.60 mm、预拉伸比例系数为2.50、驱动应变为16.47 %。
图2 因素交互作用对驱动应变的响应曲面
驱动应变随着负载的增加先增大后减小，随着电压的增大而增大，且在载荷为100 g、16 kV电压下达到~17.20 %的最大驱动应变（图3a）。此外，随着驱动电压和载荷的增加，驱动电流也随之增大。当电流超过115 μA~130 μA时，驱动器一般会出现击穿现象，因此驱动电流可以作为判断执行器发生击穿损伤的关键标准之一，为后续试验提供安全限度（图3b）。实验计算获得50g、100g、150g、200g、250g、300g、350g、400g负载下的效率分别为24.82%、50.89%、65.09%、67.93%、64.44%、52.32%、44.87%、48.60%。随着驱动负载的增加，机电转换效率先增大后减小，说明合适的负载有利于提高执行器的能量利用率（图3c）。通过关节式驱动机构可将液压静电驱动器的驱动位移放大至30 mm（图4），通过齿轮转向机构可将液压静电驱动器的直线位移转换为20°的旋转角度（图5），验证了液压静电驱动器的应用潜力。
图3 驱动器性能测试
图4 关节驱动机构试验
图5 齿轮转向机构试验。a）齿轮转向机构结构图；b）通电状态图；c）断电状态图
南京航空航天大学机电学院博士生叶玉泽为本文第一作者，何青松研究员为通讯作者。
课题组简介
何青松，男，博士生导师，研究员。入选江苏省青年科技人才托举工程，南京航空航天大学长空学者。主要研究方向智能驱动及仿生机器人、微纳结构与无人系统、柔性传感与检测仪器。担任Vebleo协会FELLOW、IAAM中国理事、国际仿生工程学会青年委员会、中国复合材料学会智能复合材料专委会、中国力学学会流体控制工程专委会委员。主持国家自然科学基金面上/青年项目、JWKJW173基金、航空基金、产学研项目等十余项。紧密结合无人机、生物医疗、电力检测、高端控制元件等行业需求，系统研究了智能驱动、仿生结构基础科学问题与工程应用。在Nano Energy、Composites Part A、Chinese Journal of Aeronautics、Carbon、科学通报等国内外重要期刊上共发表论文60余篇。已授权中国发明专利40余项。获得江苏省机械工程学会科学技术二等奖2项（第1）、教育部自然科学二等奖1项（第4）、江苏省优秀博士学位论文、IAAM科学家奖章。研究成果在中国人民解放军东部战区总医院、航天时代电子技术股份有限公司、上海宇航系统工程研究所、内蒙动力机械研究所、江苏省送变电公司等单位获得应用。指导学生获得第九届中国国际“互联网+”创新创业大赛全国银奖、第六届中国研究生未来飞行器创新大赛全国二等奖、第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛“黑科技”专项赛全国一等奖/恒星级、第七届“光威杯”中国复合材料学会大学生科技创新竞赛全国二等奖等。
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引用：
Ye, Y., He, Q., Yang, C., Xu, X., Xie, L., Liu, D., … Leng, Z. (2024). Optimized design and performance testing of hydraulic electrostatic actuator. International Journal of Smart and Nano Materials, 1–24. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2415972
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2023年影响因子为4.5。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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