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清華大學(xué)劉辛軍、趙慧嬋 AFM：小尺寸柔性隔膜泵
2023-09-02  來(lái)源：高分子科技

  小型流體泵是小型仿生機(jī)器人、可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，將小型流體泵集成到機(jī)器人或穿戴設(shè)備內(nèi)部，并使其保持一定的柔性，在小型流體泵領(lǐng)域是個(gè)難點(diǎn)。


圖 1 柔性泵結(jié)構(gòu)示意圖


  近日，清華大學(xué)機(jī)械系劉辛軍、趙慧嬋團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種柔性雙腔室隔膜泵（圖 1），該泵由空心柱狀介電彈性體（通過(guò)條形薄膜卷繞而成）作為柔性泵的主動(dòng)結(jié)構(gòu)，柔性外殼作為被動(dòng)結(jié)構(gòu)，薄膜單向閥與前兩者配合控制流體的流向。該泵尺寸僅為2.36 cm3，能夠輸出7.5 kPa的背壓或者以空載狀態(tài)輸出340 mL/min的流量。該泵的輸出壓力能夠通過(guò)激勵(lì)電壓進(jìn)行精確控制，團(tuán)隊(duì)演示了通過(guò)該泵控制流體彈性體驅(qū)動(dòng)器（圖 2A）位移精確變化的過(guò)程（圖 2B）。 


圖 2 柔性泵控制流體彈性體驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)與收縮


  該柔性泵可以實(shí)現(xiàn)最大90度的彎曲，在彎曲角度小于60度之前，其流量與壓力特性都沒(méi)有明顯減少（圖 3A）。該團(tuán)隊(duì)將此泵以彎曲的狀態(tài)置于一個(gè)模擬血液循環(huán)系統(tǒng)的“主動(dòng)脈弓”中（圖 3B），以驗(yàn)證該泵具有在“心臟”受損的情況下輔助“血液”循環(huán)的能力。 


圖 3 柔性泵彎曲狀態(tài)性能圖與應(yīng)用演示


  該團(tuán)隊(duì)也測(cè)試了該泵對(duì)氣液兩種工作介質(zhì)的適應(yīng)能力，其能夠在驅(qū)動(dòng)空氣與驅(qū)動(dòng)水兩種介質(zhì)之間任意切換（圖 4A），并成功將其用于驅(qū)動(dòng)一單自由度兩棲爬行機(jī)器人（圖 4B與C）。 


圖 4 柔性泵可以驅(qū)動(dòng)氣體和液體工質(zhì)


  該工作以“Soft Pocket Pump for Multi-Medium Transportation via an Active Tubular Diaphragm”為題目發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，論文第一作者是清華大學(xué)機(jī)械系博士生姜淞文，通信作者為清華大學(xué)機(jī)械系劉辛軍教授與趙慧嬋副教授，其他作者包括中國(guó)海洋大學(xué)湯超副教授和清華大學(xué)機(jī)械系博士生東旭光等。


  該工作是此團(tuán)隊(duì)對(duì)介電彈性體縱向研究的又一成果；诠柘鹉z介電質(zhì)的介電彈性體能夠以高頻率實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)（＞100 Hz），該團(tuán)隊(duì)對(duì)此類(lèi)介電彈性體的研究起步于制備工藝與理論模型研究（Advanced Functional Materials, 2018, 28(42): 1804328），后續(xù)開(kāi)展對(duì)其壽命保障的研究（Advanced Engineering Materials, 2021, 24(4): 2101017），并將其應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)一種亞厘米級(jí)管道環(huán)境的巡檢機(jī)器人（Science Robotics, 2022, 7(66): abm8597）和一種高速柔性旋轉(zhuǎn)電機(jī)（Advanced Intelligent Systems, 2023, 4(6): 2300243）。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305289

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