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Nature Communication: 流體動力元件研究進展!浙大楊華勇院士/徐兵教授團隊與大連理工孫希明教授團隊,研發(fā)“電液動力芯片”
2025-02-12  來源:高分子科技

  您是否想過,未來的小型機器人可以像章魚一樣多腿靈活運動與控制,或像水母一樣多足輕盈靈活游動?傳統(tǒng)多路流體動力小型機器人往往依賴多個剛性泵和閥來實現(xiàn)系統(tǒng)的驅(qū)動與控制,嚴重限制了系統(tǒng)的便攜性和靈活性。近來,浙江大學團隊與大連理工大學團隊合作在Nature Communication發(fā)表研究成果——Flexible electro-hydraulic power chips》(柔性電液動力芯片,可通過模塊化柔性設計與3D打印技術(shù)將多路流體動力源“芯片化”設計與制造,從而實現(xiàn)小型機器人系統(tǒng)的多路驅(qū)動與復雜控制及高功率密度輸出。這項技術(shù)或?qū)樾⌒蜋C器人、可穿戴設備等提供新的輕量便攜的解決方案!浙江大學張超研究員為論文第一作者浙江大學祝毅教授、張超研究員和大連理工大學徐昌一副教授為論文共同通訊作者,浙江大學楊華勇院士、徐兵教授、張軍輝研究員和大連理工大學孫希明教授參與指導工作。



  研究團隊受電子芯片中晶體管模塊化柔性設計的啟發(fā),開發(fā)了電液動力芯片的基礎單元—電液動力二極管單元(圖1a),并通過導電材料和絕緣材料協(xié)同的多材料3D打印技術(shù)(圖1b),實現(xiàn)小型輕量的電液動力“二極管”單元的自由制造(圖1c),該單位通過電流體動力原理可輸出可控的單向流動和壓力輸出(圖1d)。此外,電液動力“三極管”基礎單元(圖1e)也可進一步被制造來實現(xiàn)雙向可控的流動和壓力輸出(圖1f-h)。


圖1 柔性電液動力晶體管的設計、制造與功能


  同時,基于電液動力“二極管”和“三極管”單元,可實現(xiàn)電液動力芯片的擴展設計與制造(圖2)。(1)二維平面單流道設計:電液動力晶體管單元可擴展為平面內(nèi)單流道內(nèi)的串聯(lián)和并聯(lián)設計與制造,實現(xiàn)流體動力的流量和壓力的增加,并可通過高度的可控打印實現(xiàn)流道高度方向提高;(2)二維平面多流道設計:電液動力晶體管單元可擴展為平面內(nèi)多交叉流道或多獨立流道的設計;(3)三維體積多流道設計:電液動力晶體管單元可擴展為體積內(nèi)多流道設計。因此,通過電液動力芯片的點-線-面-體”三維空間系統(tǒng)布局,可滿足不同流體動力系統(tǒng)的需求。


圖2 電液動力芯片的“點-線-面-體”三維空間系統(tǒng)布局。


  最后,研究團隊將不同的流體動力芯片用于多回路可穿戴熱管理設備與小型水母機器人等案例展示了電液動力芯片的的傳熱傳質(zhì)和驅(qū)動能力:(1)多回路可穿戴設備:將五流路電液動力芯片嵌入穿戴式手套(圖3a),配合半導體冷卻源,可實現(xiàn)任意手指的選擇性冷卻(圖3d-h);(2)仿生水母機器人:將4個獨立電液動力芯片嵌入水母機器人來驅(qū)動“觸手”周期性伸縮(圖4a-d),使其快速游動(圖4e)。


圖3 電液動力芯片驅(qū)動的穿戴式手套。


圖4 電液動力芯片驅(qū)動的小型水母機器人。


  論文鏈接https://doi.org/10.1038/s41467-025-56636-w

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(責任編輯:xu)
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