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Nano Energy 摩擦发电直驱式电活性软体机器人
发布者: 李博 | 2021-03-24

【引言】

软体机器人是将软体驱动器、柔性结构和可拉伸的传感器巧妙地集成而开发出来的。它们在医疗手术、水下操作和人类援助等方面具有广阔的应用前景。介质弹性体(DEA)是一种新兴的软体驱动器,具有响应速度快、能量密度高和类似人体肌肉的大应变等优点。据报道,由DEA驱动的不同类型的软体机器人具有不同的性能,包括爬墙、游泳、蠕动、抓取物体和无人机飞行。然而,驱动DEA需要超过1000V的电压,这通常需要将机器人外接电源系统上。尽管车载电源电子技术已经发展为集成电源模块,但操作时间有限,这极大地限制了DEA驱动的软体机器人系统的移动续航能力。摩擦纳米发电机(TENG)能够为电容性器件产生高开路电压,可以为DEA供电提供一种替代方案。TENG能通过摩擦带电和静电感应耦合将机械能转化为电能,作为电磁发电机的互补电源。文献已经证实,TENG驱动的DEA可实现自供电光调制器,其中静态应变由TENG调节。然而,基于DEA的机器人的动力学运动尚未实现。据知,这是因为在以往的软体机器人设计中,DEA有多个自由度,但软机器人在运动中可能只有有限的自由度。因此,将DEA应变传递到机器人位移时,传递效率不足会耗散大部分能量。当机器人由传统的电源设备提供足够的能量时,这个问题就不需要考虑了。当一个TENG动力源与一个软机器人结合时,考虑到TENG可以收集有限的能量,应该实现更高效率的机械传动。

 

【成果简介】

近日,在西安交通大学陈贵敏教授团队、中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员王中林院士等人带领下,开发了一种单向DEA驱动的软体机器人。它将DEA的变形方向与机器人运动方向进行自由度上的一致,实现了高效的能量转换,产生的最大爬行速度为110mm(2.2体长)/秒,有效载荷能力为40g,然后利用独立的TENG构建了一个TENG-Bot,即TENG-软体机器人联动系统。受益于结构简单、效率高的特点,TENG产生的电能可以直接驱动机器人,无需额外的控制面板。实验证明,TENG的滑动速度与软体机器人的速度之间存在线性关系,具有直接的控制策略。TENG-Bot通过采集环境运动,为开发自供电软体机器人提供了一条路线。该成果以题为TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer发表在了Nano Energy上。

 

 

西安理工大学孙文杰和西安交通大学李博为论文共同一作,中科院深圳先进院高兴,曹崇景为共同作者。

 

 

论文题目:TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer

 

在线链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106012