介電彈性體軟機器人研究：高壓放大器的應用實踐

　　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

　　研究方向：水蛭運動的特點是吸盤附著和身體收縮交替，在復雜地形上提供了高度的適應性和穩定性。在此，提出了一種受水蛭啟發的摩擦電軟機器人，能夠進行兩棲運動、攀爬和負重爬行。開發了一種高性能的摩擦電仿生機器人系統，用于驅動和控制電響應軟體機器人。爬行機器人因其對不同環境的特殊適應性而受到了相當大的關注，并應用于環境監測、勘探生物醫學和設備檢查。盡管許多剛性爬行機器人，包括輪式、跟蹤和legged變體，它們能夠為精細的操作或重型舉重提供精確的控制和高有效載荷能力，它們對由剛性關節組成的復雜機構的依賴限制了它們穿越復雜地形的能力。與剛性機器人相比，軟體機器人重量輕、可變形、成本低、材料靈活，并且具有出色的機械柔性。使它們能夠模仿無脊椎動物（章魚、毛蟲和蛇在復雜的環境中爬行，包括不平坦或粗糙的表面和狹窄的隧道。

　　目前，軟爬行機器人可以根據它們的激活機制進行分類，包括電、磁、化學、熱、光、壓力、和濕度。它們根據與外部電源或控制系統的連接進一步分為非系留機器人和系留機器人。無系留機器人以其高機動性和操作靈活性而聞名，廣泛用于探索無法進入的區域、執行遙感或執行復雜的任務。最近提出的摩擦電軟體機器人有效地解決了高壓供電電路故障帶來的問題。通過利用摩擦納米發電機（TENG）的高電壓和高阻抗特性，這些系統可以輕松產生數千伏特的低輸出電流（≈μA），而無需額外的電路。確保電響應軟體機器人的穩定運行。TENG已被證明可以驅動電響應材料，例如液晶、電流變液和介電彈性體，表明TENG為軟機器人提供動力的潛力。此外，由于電荷轉移量小，使用TENG驅動介電彈性體等材料可降低高電場下薄膜破裂的風險，使其成為軟體機器人的理想電源。

　　實驗目的：使用高壓電源(Aigtek,ATA-7100,100W)與HDC-TENG(多通道高壓輸出摩擦納米發電機（HDC-TENG）)進行比較，通過使用力傳感器測量DM和TES組件兩個關鍵組件使能)的機械特性來評估驅動電響應軟機器人的能力，為后續實驗做論證和鋪墊。

　　測試設備：ATA-7100高壓放大器、信號發生器、示波器、數字源表、陶瓷電阻器、單軸力傳感器、激光距離傳感器、高速相機、上位機

　　實驗過程：利用可變形肌肉和摩擦電吸盤，用于制造可變形肌肉的材料包括介電彈性體、碳潤滑脂和PET薄膜，采用靜電計、陶瓷電阻器(1MQ~50GΩ)和電阻-電容分壓器測量HDC-TENG的開路電壓和功率曲線。用數字萬用表直接測量了短路電流和轉移電荷。使用掃描電子顯微鏡捕獲摩擦材料的顯微圖像。高壓電源(Aigtek,ATA-67110,100W)和信號發生器為DM供電，以便與HDC-TENG進行比較。在精密金屬激光切割工作站上加工dm用PET。采用單軸力傳感器測量DM的阻塞力和TES的粘附力。采用激光距離傳感器(測量DM的突出長度。DM和TES的電容值采用數字源表測定。使用相機連續記錄LSR的爬行速度，計算每單位時間爬行的距離。使用MATLAB和Origin進行數據處理和繪圖。

　　圖1介電彈性體肌肉制成的受水蛭啟發的軟機器人研究實驗框圖

　　實驗結果：可以通過測量HDC-TENG在各種充電周期內施加到DM的電壓來評估HDC-TENG對軟致動器的驅動性能（參見圖2B）。帶有一段DM的軟致動器在1s內達到最大飽和電壓;兩個段在1.5秒內到達它;和2.5秒內的三個段。由于肌肉的1、2和3段的電容值分別為298.49pF、556.38pF和674.91pF，DM段數量的增加會提高軟致動器的電容值（由于并聯），需要來自HDC-TENG的更多電荷才能達到飽和電壓。當HDC-TENG以不同速度旋轉時，應用于具有1、2和3個肌肉段（3秒充電周期）的軟致動器配置的電壓變化。電壓增加是由于HDC-TENG在較高轉速下增強的電力輸出（參見圖2B、C），這會影響輸送到軟致動器的電壓和電荷。圖2C、D顯示了當HDC-TENG以不同轉速運行時，軟致動器在DM的1、2和3段中（3s充電周期）的阻塞力和突起長度的變化。在240rpm的轉速和3s的充電周期下，軟致動器的三段、兩段和一段DM分別產生83.3mN/11.88mm、60.5mN/8.57mm和35mN/4.32mm的阻塞力和位移。隨著可變形肌肉節段的增加，軟致動器的阻擋力和位移都會增加。圖2E、F顯示了軟致動器（DM的3段）在3秒充電周期中阻塞力和突出長度的變化，HDC-TENG以240rpm的轉速運行。具有三段DM的軟致動器在0.5-3s充電循環期間產生最大阻塞力和位移，如下所示：83.3mN/11.88mm、10.59mN/8.57mm、79.8mN/9.71mm、78.06mN/8.24mm、60.06mN/5.38mm和33.7mN/1.57mm。在1秒的充電周期內，軟致動器的性能（阻擋力和突出長度）有顯著改善。隨著充電周期的延長，這種性能增強趨于穩定，與軟致動器的電壓增長曲線一致（見圖2B），突出表明HDC-TENG的輸出電荷和軟致動器的電容值是DM能否快速變形的決定因素。

　　圖2生物啟發可變形致動器的啟動電壓、阻斷力和突起長度的表征。A）致動器產生的阻擋力和位移示意圖。在測量過程中，軟致動器的一端固定在基板上，而另一端的阻擋力和位移則使用力和激光傳感器測量。B）不同充電周期下DM兩端（1、2和3段）的電壓。C，D）軟致動器（DM的1、2和3段，3s充電循環）在HDC-TENG的不同轉速下產生的阻塞力和突起長度。E，F）阻塞力和突起長度由三段DM在不同充電循環中產生。

圖：ATA-7100高壓放大器指標參數

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