近日，西北工業(yè)大學(xué)空天結(jié)構(gòu)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張衛(wèi)紅院士團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士、香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)教授合作，在軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得了新進(jìn)展，成功開(kāi)發(fā)出一種基于新型電活性聚合物的多功能機(jī)器人，有望滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)和極寒環(huán)境下的應(yīng)用需求。該研究成果以“Vinyl Acetate-Enhanced Polyvinyl Chloride Gel with High Electroadhesion and Self-Heating-Tunability for Soft Robots in Freezing Environments”為題在國(guó)際知名綜合性期刊《Advanced Science》上在線(xiàn)發(fā)表。
電活性聚合物是一類(lèi)可在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生大幅度形變的智能材料，廣泛應(yīng)用于人工肌肉、軟體機(jī)器人等前沿領(lǐng)域。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人對(duì)系統(tǒng)的多功能集成能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)電活性聚合物往往僅具備電致變形功能，難以滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性及系統(tǒng)集成需求。因此，開(kāi)發(fā)具備多模式響應(yīng)行為的智能材料并實(shí)現(xiàn)功能集成，是當(dāng)前軟體機(jī)器人研究中一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。
在本研究中，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具備低電壓驅(qū)動(dòng)、高電吸附力和可控自加熱的新型聚氯乙烯基電活性聚合物。通過(guò)在聚氯乙烯凝膠中引入乙酸乙烯酯，有效抑制了因塑化劑遷移引起的發(fā)熱與電擊穿問(wèn)題，同時(shí)顯著提升了材料的介電性能與力學(xué)性能。與現(xiàn)有材料相比，新型材料的發(fā)熱量降低超過(guò)50%，使用壽命延長(zhǎng)15倍以上，輸出力提升1.75倍，電吸附力提升2.15倍，在2 V/μm的低電場(chǎng)下即可實(shí)現(xiàn)30kPa的強(qiáng)吸附力，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)靜電吸附結(jié)構(gòu)。此外，研究還提出多種電壓控制策略，可實(shí)現(xiàn)材料的按需自加熱或進(jìn)一步發(fā)熱抑制。
圖1 材料設(shè)計(jì)和多功能軟體機(jī)器人示意圖
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出具備快速爬行、低溫環(huán)境自加熱、模塊化組裝與協(xié)同作業(yè)能力的微型軟體機(jī)器人。機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)靈敏，在僅72.5V的低電壓下即可驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，顯著低于現(xiàn)有同類(lèi)系統(tǒng)。通過(guò)集成的電吸附結(jié)構(gòu)，機(jī)器人集群可在毫米尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速連接與脫粘，在狹小空間內(nèi)完成自主重構(gòu)，具備優(yōu)異的群體協(xié)作能力。
圖2 集群機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及自重構(gòu)。(A-F) 集群機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)；（G-H）復(fù)雜空間中機(jī)器人的自重構(gòu)
在極寒環(huán)境測(cè)試中，機(jī)器人可在-50°C環(huán)境下完成自主加熱、以及巡檢和冰層融化等任務(wù)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)、狹縫探測(cè)和寒區(qū)作業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)成果為極端環(huán)境下小型智能機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)提供了新思路，也展示了該類(lèi)材料在電子器件、仿生系統(tǒng)和智能制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。
圖3 機(jī)器人可控發(fā)熱和冰凍環(huán)境運(yùn)動(dòng)。(A-C) 機(jī)器人的可控發(fā)熱性能；（D-F）機(jī)器人在寒冷冰凍中執(zhí)行不同的任務(wù)
西北工業(yè)大學(xué)張軍詩(shī)教授、劉磊副教授、朱繼宏教授和香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生韋暢為論文第一作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的支持。
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202507757
（文字：張軍詩(shī)；審核：羅明）
