奧地利林茨大學開發釐米級軟電磁致動器！微型低功耗，或用於醫療

導讀

剛性電磁執行器為我們的社會服務200多年。來自奧地利林茨大學的研究人員開發了一種新的軟電磁致動器（SEMAs），展示了對人類友好、簡單、可拉伸、快速、耐用且可編程的釐米級SEMA，它們可以驅動軟鯊魚；與日常物體互動或將染料與水快速混合；具有獨立控制花瓣的多層螺旋花SEMA在數十毫秒內開花或閉合。並開發了一個數字模型，該模型為研究朝著小型化，降低功耗和提高機械效率的方向開闢了潛在的途徑。

傳統的剛性電磁致動器有多種應用，但其笨重的特性限制了人機互動與協作。在《Science Advances》的一篇新報告中，論文一作毛國勇和奧地利林茨大學軟物質物理和軟材料領域的科學家團隊推出了一種軟電磁致動器（SEMAs），通過在彈性體外殼勾勒的通道內注入液態金屬以取代固體金屬線圈。科學家們展示了這種對用戶友好、簡單且可伸縮的構造，並賦予了快速可編程性。

演示中，他們設計了一個基於SEMA的柔軟微型鯊魚和一個可以單獨控制花瓣的多層螺旋花，以及一個可以執行任意運動序列的立方體。該團隊採用了一個數值模型來支持設備的小型化，並通過提高機械效率來降低功耗，未來可為微創醫療應用程式賦予軟抓手功能。

研究結果強調了小尺寸和多線圈SEMA在醫學上具有潛在的實用性，就像在經典科幻電影《神奇之旅》中一樣。未來，毛國勇等人的目標是開發和部署基於SEMA的先進微型機器人，用於未來醫療應用，包括納米級藥物輸送和組織診斷。

在這項工作中，毛國勇等人提出了幾種設計和開發高性能軟電磁致動器的方法，這些致動器為機器人的軟形式提供動力。他們探索了六種主要的設計策略，其中新型的SEMA用嵌入在柔軟的彈性體外殼（Ecoflex材料）中的液態金屬通道代替了常規直流電機的堅硬結構，如下圖C所示。

按照其工作原理，如上圖A所示，在制動器下方具有一個永磁體，當電流通過導電通道時，在洛倫茲力的作用下，單線圈方形SEMA將彎曲，從而使其可用作軟機器人的電動機。研究中使用的驅動電壓低於1 V，甚至允許在水下作業。

在這項工作中，研究小組通過實驗和模擬對定量磁場進行了表徵。結果表明，需要較低的電阻來操作SEMA，研究人員通過使用液態金屬作為結構中的可拉伸導體，以實現可塑的彈性體和密封良好的液態金屬通道。

通過增加實驗中的磁場，科學家增加了驅動結構的應變能。它們也可以通過增加電流幅度來增加SEMA的應變能，儘管焦耳熱效應可能會增加裝置中的熱量和溫度。該團隊通過添加諸如銅之類的導電顆粒來改善設備性能，從而降低了SEMA的電阻，然後進行了一系列驅動頻率測試，以測試SEMA的性能。

研究人員通過長時間的疲勞測試（以5 Hz的頻率驅動60小時），展示了單線圈方形SEMA如何在不改變性能的情況下彎曲216萬次。然後，科學家通過多種技術將 SEMA小型化。

為了證明其在水中運行的安全性，將SEMA這樣的魚尾被放置在水箱的底部，由於較低的驅動電壓而無需額外隔離。放置在水箱下方的平板磁鐵施加的磁場使SEMA在施加3A的方波電流時像魚尾一樣擺動，在實驗開始時滴入水中的固體藍色染料迅速混合，以顯示出SEMA的高性能。

為了進一步確定SEMA的力量，該團隊建造了一個雙線圈方形，以提供比單線圈版本更大的力量。SEMA的最大輸出功率約為57mW，而最大功率密度達到5.3 mW/g。隨著時間的流逝，效率隨著電流的增加而降低，而大多數功率則作為熱量散發到環境中。

經過優化，團隊注意到與其它類型的軟功能執行器相比，SEMA具有顯著的靈活性。作為概念驗證，他們開發了幾種構造，包括攪拌器形式的魚尾SEMA和帶有五個花瓣的花朵SEMA。多線圈花SEMA表現出高度的可編程性，每個花瓣充當單個花瓣，可在任意磁場中起作用。

多線圈花SEMA由五個可單獨控制的單踏板組成。單個花瓣在電流從0到5A跳變時，花瓣會相應地開合。通過對電信號編碼，花瓣以10毫秒，50毫秒，100毫秒和1 s的時間間隔被有序地驅動，顯示出SEMA出色的動態性能。

通過這種方式，毛國勇及其同事介紹了一系列用於高度受控快速致動的SEMA，它們的軟體和低驅動電壓在與生物體和易碎物體接觸時不會產生幹擾。

實驗和理論分析預測，在強烈磁場作用下，SEMA可以保持高能量密度，功率密度和效率。對SEMA進行了有效控制並易於編程，從而可以對複雜的執行器中的軟機器人元件進行單獨操作，如花SEMA所示。進一步的數值和實驗分析使研究小組可以提高結構的功率輸出和機械效率。這項新工作將在精確的藥物輸送，組織診斷和細胞操作方面得到廣泛的應用。

該項研究的第一作者毛國勇曾在浙江大學和哈佛大學學習，並在相關領域取得了多項研究成果。

作者ORCID：

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

論文DOI：

10.1126/sciadv.abc0251

論文連結：

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