陳貴敏&張弛&王中林院士Nano Energy：TENG-Bot：由單向介電彈性體制成的摩擦納米發電機直驅式的軟體機器人

【引言】

軟體機器人是將軟體驅動器、柔性結構和可拉伸的傳感器巧妙地集成而開發出來的。它們在醫療手術、水下操作和人類援助等方面具有廣闊的應用前景。介質彈性體（DEA）是一種新興的軟體驅動器，具有響應速度快、能量密度高和類似人體肌肉的大應變等優點。據報道，由DEA驅動的不同類型的軟體機器人具有不同的性能，包括爬墻、游泳、蠕動、抓取物體和無人機飛行。然而，驅動DEA需要超過1000V的電壓，這通常需要將機器人外接電源系統上。盡管車載電源電子技術已經發展為集成電源模塊，但操作時間有限，這極大地限制了DEA驅動的軟體機器人系統的移動續航能力。摩擦納米發電機（TENG）能夠為電容性器件產生高開路電壓，可以為DEA供電提供一種替代方案。TENG能通過摩擦帶電和靜電感應耦合將機械能轉化為電能，作為電磁發電機的互補電源。文獻已經證實，TENG驅動的DEA可實現自供電光調制器，其中靜態應變由TENG調節。然而，基于DEA的機器人的動力學運動尚未實現。據知，這是因為在以往的軟體機器人設計中，DEA有多個自由度，但軟機器人在運動中可能只有有限的自由度。因此，將DEA應變傳遞到機器人位移時，傳遞效率不足會耗散大部分能量。當機器人由傳統的電源設備提供足夠的能量時，這個問題就不需要考慮了。當一個TENG動力源與一個軟機器人結合時，考慮到TENG可以收集有限的能量，應該實現更高效率的機械傳動。

【成果簡介】

近日，在西安交通大學陳貴敏教授團隊、中科院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士等人帶領下，開發了一種單向DEA驅動的軟體機器人。它將DEA的變形方向與機器人運動方向進行自由度上的一致，實現了高效的能量轉換，產生的最大爬行速度為110mm(2.2體長)/秒，有效載荷能力為40g，然后利用獨立的TENG構建了一個TENG-Bot，即TENG-軟體機器人聯動系統。受益于結構簡單、效率高的特點，TENG產生的電能可以直接驅動機器人，無需額外的控制面板。實驗證明，TENG的滑動速度與軟體機器人的速度之間存在線性關系，具有直接的控制策略。TENG-Bot通過采集環境運動，為開發自供電軟體機器人提供了一條路線。該成果以題為“TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer”發表在了Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1 TENG和軟機器人聯動系統的原理

（A）獨立的TENG直接連接到軟體機器人。該軟體機器人由介電彈性體驅動器（DEA）、一個可展柔順梁和三個單向軸承組成。

（B）當滑動TENG時，會產生電壓來驅動DEA。DEA伸長和收縮，從而使機器人移位。在一個滑動周期中，軟體機器人完成一個運動步驟。

（C）在實驗室中建立了聯動系統。

（D）軟體機器人的斷電和驅動狀態，顯示向前位移。

圖2 軟體機器人的特性

（A）具有單向DEA的軟體機器人設計。

（B）軟體機器人的線性機械性能。

（C）機器人的速度與各種電壓波形（方波、三角波、正弦波）的電壓頻率之間的關系。

（D）機器人在不同占空比下的速度曲線。

（E）機器人在不同振幅下的速度曲線。

（F）軟體機器人的速度與頻率的關系。

（G）軟體機器人的速度與有效載荷重量的關系。

圖3 軟體機器人的運動性能

（A）軟體機器人在18Hz頻率下的一系列運動的快照。

（B）軟體機器人以50mm/s的速度爬行，有效載荷為20 g。

（C）軟體機器人通過增加偏置電壓，以降低其身體穿過隧道。機器人的左視圖在狹窄的縫隙中移動，這個縫隙是機器人高度的一半。這個過程由五種狀態組成：待機、I、II、III和完成。

（D）狀態II，偏置電壓升高，DEA圍繞新的平衡狀態振動，使得機器人高度降低。

（E）機器人在活動過程中的正視圖。

圖4 可編程的TENG滑動過程和TENG中產生的電能

機械能由TENG收集，并轉換為周期性的電能。在快速傅立葉變換（FFT）之后，識別出主要的致動頻率。在TENG的滑動中，以a = 1 m/s²的加速度，以（A）的形式設計滑動速度，以（D）的形式設計滑動距離。對于a = 1、10和20 m/s²，滑動速度和滑動速度在（B）、（C）、（E）和（F）中。生成的電壓在時域中繪制在（G-I）中。FFT的結果繪制在（J-L）中，其中標識了每個主驅動頻率。

圖5?TENG-Bot的運動性能和關系

（A）TENG在不同加速度下的滑動速度。

（B）軟體機器人的速度由TENG的滑動速度控制。當TENG滑動到0.8 m/s以下時，存在單調遞增的線性關系。

（C）有效載荷對軟體機器人的爬行速度控制的影響。

【小結】

綜上所述，本研究展示了一種直接TENG動力和控制的TENG-Bot。提出了一種由單向DEA、柔順機器人主體和單向軸承輪組成的軟體機器人。建立了理論模型來表征DEA的機電耦合，首次設計實現了由摩擦納米發電機（TENG）供電的機器人系統。在實驗表征中，證明了軟體機器人在4 kV、26 Hz的方波電壓下，能夠以110 mm/s的速度（2.2體長/秒）進行運動，并攜帶最大有效載荷40 g（質量載荷比與機器人重量之比為3.8），這些都優于之前報道的一些軟體機器人。在不需要額外的驅動器的情況下，這種軟體機器人就可以調整其形態，僅通過調整偏置電壓即可通過一個狹窄的間隙。在TENG-Bot中實現了靜態和動態驅動方案中的線性性能，其特點是由獨立模式TENG直接控制動力。實驗結果表明，無論有效載荷大小，軟體機器人的運動速度與TENG的滑動速度之間都有很好的線性關系，這對機器人的動力和控制具有重要的指導意義。本文提出的TENG-Bot將為新一代智能軟體機器人的能源獲取與驅控技術設計鋪平一條新的道路。

文獻鏈接：TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer（Nano Energy,?2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106012）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。