奥地利林茨大学开发厘米级软电磁致动器！微型低功耗，未来或用于医疗领域

导读

刚性电磁执行器为我们的社会服务200多年。来自奥地利林茨大学的研究人员开发了一种新的软电磁致动器（SEMAs），展示了对人类友好、简单、可拉伸、快速、耐用且可编程的厘米级SEMA，它们可以驱动软鲨鱼；与日常物体互动或将染料与水快速混合；具有独立控制花瓣的多层螺旋花SEMA在数十毫秒内开花或闭合。并开发了一个数字模型，该模型为研究朝着小型化，降低功耗和提高机械效率的方向开辟了潜在的途径。

传统的刚性电磁致动器有多种应用，但其笨重的特性限制了人机交互与协作。在《Science Advances》的一篇新报告中，论文一作毛国勇和奥地利林茨大学软物质物理和软材料领域的科学家团队推出了一种软电磁致动器（SEMAs），通过在弹性体外壳勾勒的通道内注入液态金属以取代固体金属线圈。科学家们展示了这种对用户友好、简单且可伸缩的构造，并赋予了快速可编程性。

演示中，他们设计了一个基于SEMA的柔软微型鲨鱼和一个可以单独控制花瓣的多层螺旋花，以及一个可以执行任意运动序列的立方体。该团队采用了一个数值模型来支持设备的小型化，并通过提高机械效率来降低功耗，未来可为微创医疗应用程序赋予软抓手功能。

研究结果强调了小尺寸和多线圈SEMA在医学上具有潜在的实用性，就像在经典科幻电影《神奇之旅》中一样。未来，毛国勇等人的目标是开发和部署基于SEMA的先进微型机器人，用于未来医疗应用，包括纳米级药物输送和组织诊断。

在这项工作中，毛国勇等人提出了几种设计和开发高性能软电磁致动器的方法，这些致动器为机器人的软形式提供动力。他们探索了六种主要的设计策略，其中新型的SEMA用嵌入在柔软的弹性体外壳（Ecoflex材料）中的液态金属通道代替了常规直流电机的坚硬结构，如下图C所示。

按照其工作原理，如上图A所示，在制动器下方具有一个永磁体，当电流通过导电通道时，在洛伦兹力的作用下，单线圈方形SEMA将弯曲，从而使其可用作软机器人的电动机。研究中使用的驱动电压低于1 V，甚至允许在水下作业。

在这项工作中，研究小组通过实验和模拟对定量磁场进行了表征。结果表明，需要较低的电阻来操作SEMA，研究人员通过使用液态金属作为结构中的可拉伸导体，以实现可塑的弹性体和密封良好的液态金属通道。

通过增加实验中的磁场，科学家增加了驱动结构的应变能。它们也可以通过增加电流幅度来增加SEMA的应变能，尽管焦耳热效应可能会增加装置中的热量和温度。该团队通过添加诸如铜之类的导电颗粒来改善设备性能，从而降低了SEMA的电阻，然后进行了一系列驱动频率测试，以测试SEMA的性能。

研究人员通过长时间的疲劳测试（以5 Hz的频率驱动60小时），展示了单线圈方形SEMA如何在不改变性能的情况下弯曲216万次。然后，科学家通过多种技术将 SEMA小型化。

为了证明其在水中运行的安全性，将SEMA这样的鱼尾被放置在水箱的底部，由于较低的驱动电压而无需额外隔离。放置在水箱下方的平板磁铁施加的磁场使SEMA在施加3A的方波电流时像鱼尾一样摆动，在实验开始时滴入水中的固体蓝色染料迅速混合，以显示出SEMA的高性能。

为了进一步确定SEMA的力量，该团队建造了一个双线圈方形，以提供比单线圈版本更大的力量。SEMA的最大输出功率约为57mW，而最大功率密度达到5.3 mW/g。随着时间的流逝，效率随着电流的增加而降低，而大多数功率则作为热量散发到环境中。

经过优化，团队注意到与其它类型的软功能执行器相比，SEMA具有显着的灵活性。作为概念验证，他们开发了几种构造，包括搅拌器形式的鱼尾SEMA和带有五个花瓣的花朵SEMA。多线圈花SEMA表现出高度的可编程性，每个花瓣充当单个花瓣，可在任意磁场中起作用。

多线圈花SEMA由五个可单独控制的单踏板组成。单个花瓣在电流从0到5A跳变时，花瓣会相应地开合。通过对电信号编码，花瓣以10毫秒，50毫秒，100毫秒和1 s的时间间隔被有序地驱动，显示出SEMA出色的动态性能。

通过这种方式，毛国勇及其同事介绍了一系列用于高度受控快速致动的SEMA，它们的软体和低驱动电压在与生物体和易碎物体接触时不会产生干扰。

实验和理论分析预测，在强烈磁场作用下，SEMA可以保持高能量密度，功率密度和效率。对SEMA进行了有效控制并易于编程，从而可以对复杂的执行器中的软机器人元件进行单独操作，如花SEMA所示。进一步的数值和实验分析使研究小组可以提高结构的功率输出和机械效率。这项新工作将在精确的药物输送，组织诊断和细胞操作方面得到广泛的应用。

该项研究的第一作者毛国勇曾在浙江大学和哈佛大学学习，并在相关领域取得了多项研究成果。

作者ORCID：

http://orcid.org/0000-0002-7570-6206

论文DOI：

10.1126/sciadv.abc0251

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eabc0251

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