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

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



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


圖1 柔性電液動(dòng)力晶體管的設(shè)計(jì)、制造與功能


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


圖2 電液動(dòng)力芯片的“點(diǎn)-線-面-體”三維空間系統(tǒng)布局。


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


圖3 電液動(dòng)力芯片驅(qū)動(dòng)的穿戴式手套。


圖4 電液動(dòng)力芯片驅(qū)動(dòng)的小型水母機(jī)器人。


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

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