【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，西北工業(yè)大學空天結構技術重點實驗室張衛(wèi)紅院士團隊與香港城市大學呂堅院士、香港理工大學王鉆開教授合作，在軟體機器人領域取得了新進展，成功開發(fā)出一種基于新型電活性聚合物的多功能機器人，有望滿足復雜結構和極寒環(huán)境下的應用需求。該研究成果以“Vinyl Acetate-Enhanced Polyvinyl Chloride Gel with High Electroadhesion and Self-Heating-Tunability for Soft Robots in Freezing Environments”為題在國際知名綜合性期刊《Advanced Science》上在線發(fā)表。
 

　　電活性聚合物是一類可在電場作用下產(chǎn)生大幅度形變的智能材料，廣泛應用于人工肌肉、軟體機器人等前沿領域。隨著應用場景的不斷擴展，機器人對系統(tǒng)的多功能集成能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)電活性聚合物往往僅具備電致變形功能，難以滿足環(huán)境適應性及系統(tǒng)集成需求。因此，開發(fā)具備多模式響應行為的智能材料并實現(xiàn)功能集成，是當前軟體機器人研究中一個亟需解決的問題。
 

　　在本研究中，團隊開發(fā)了一種具備低電壓驅(qū)動、高電吸附力和可控自加熱的新型聚氯乙烯基電活性聚合物。通過在聚氯乙烯凝膠中引入乙酸乙烯酯，有效抑制了因塑化劑遷移引起的發(fā)熱與電擊穿問題，同時顯著提升了材料的介電性能與力學性能。與現(xiàn)有材料相比，新型材料的發(fā)熱量降低超過50%，使用壽命延長15倍以上，輸出力提升1.75倍，電吸附力提升2.15倍，在2 V/μm的低電場下即可實現(xiàn)30kPa的強吸附力，遠優(yōu)于傳統(tǒng)靜電吸附結構。此外，研究還提出多種電壓控制策略，可實現(xiàn)材料的按需自加熱或進一步發(fā)熱抑制。
 

圖1 材料設計和多功能軟體機器人示意圖
 

　　在此基礎上，研究團隊開發(fā)出具備快速爬行、低溫環(huán)境自加熱、模塊化組裝與協(xié)同作業(yè)能力的微型軟體機器人。機器人結構緊湊，響應靈敏，在僅72.5V的低電壓下即可驅(qū)動運動，顯著低于現(xiàn)有同類系統(tǒng)。通過集成的電吸附結構，機器人集群可在毫米尺度內(nèi)實現(xiàn)快速連接與脫粘，在狹小空間內(nèi)完成自主重構，具備優(yōu)異的群體協(xié)作能力。
 

圖2 集群機器人的運動及自重構。(A-F) 集群機器人的動力學響應和運動；（G-H）復雜空間中機器人的自重構
 

　　在極寒環(huán)境測試中，機器人可在-50°C環(huán)境下完成自主加熱、以及巡檢和冰層融化等任務。在航空發(fā)動機葉片檢測、狹縫探測和寒區(qū)作業(yè)等應用場景中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。相關成果為極端環(huán)境下小型智能機器人系統(tǒng)的研發(fā)提供了新思路，也展示了該類材料在電子器件、仿生系統(tǒng)和智能制造等領域的廣泛應用前景。
 

圖3 機器人可控發(fā)熱和冰凍環(huán)境運動。(A-C) 機器人的可控發(fā)熱性能；（D-F）機器人在寒冷冰凍中執(zhí)行不同的任務
 

　　西北工業(yè)大學張軍詩教授、劉磊副教授、朱繼宏教授和香港城市大學呂堅院士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學博士研究生韋暢為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務費等項目的支持。