麻省理工學院團隊設計改進新型““人造肌肉””材料可驅動微型飛行器實現長時間高精度飛行

相關論文以《一種由低壓長壽命介電彈性體致動器驅動的高升程微型空中機器人》為題發表，并被選為該期刊的封面文章。

介電彈性體致動器能夠基于電場驅動直接把電能轉化成機械能，用于軟體機器人的“ 肌肉” 制作。不過，相較驅動剛性機器人的壓電雙晶片和電磁電機等剛性執行器，市面上大部分介電彈性體致動器的功率密度和壽命都較低，且需要較高的驅動電壓。

為此，來自麻省理工學院的研究團隊設計了一種“基于并聯多層電極材料技術、具有低驅動電壓、強耐久性”的新型介電彈性體致動器，不僅能夠提升微型飛行器的動力，而且使其各方面表現都優于當前同尺度下的其它飛行器。

據了解，集成該介電彈性體致動器的空中機器人在現有亞克級空中機器人中性能最好、飛行時間最長，其懸停時間達到20秒，位置和姿態誤差分別小于2.5厘米和2度，并實現了超過200萬次驅動循環的長使用壽命。

而且，該機器人在升力重量比方面也有所提升，從之前的2：1提升到了3.7：1，是目前同尺寸下能達到的最好性能。

論文第一作者任智健稱，之所以他們能達到這樣的突破，歸功于進一步降低了介電彈性體致動器每一層彈性聚合物的厚度。

此外，該團隊針對介電彈性體致動器驅動電壓較高的問題做出了努力。此前介電彈性體致動器需要達到接近2000V的工作電壓才能使機器人完成起飛，而他們最新研制的介電彈性體致動器只需要大約500V的工作電壓。

研究人員表示，從材料角度出發，降低電壓就是要在減小每層彈性聚合物厚度的同時，增加相應的層數。雖然思路很容易被想到，但具體操作起來就會有各種各樣的問題。

比如，層數增加會使得烘烤聚合物的時間增長， 驅動器的整體制作時間也成倍增長，不利于進一步減小厚度;而且，隨著厚度的減小，彈性聚合物中的氣泡很容易在通電測試的過程中被擊穿，從而導致驅動器整體性能的下降。

面對這些問題，該團隊進行了反復的制作工藝調整和樣品測試，同時引入了一些針對性的解決措施，比如在每層彈性聚合物旋涂后立即抽真空來大幅減少氣泡，以及多次放入烤箱等具體加工工藝細節。在不斷的摸索與嘗試過程中，他們最終找到了比較穩定的加工工藝。

隨后， 他們還進行了各種對比測試，如靜態扇翅測試、動態升力測試和最后的飛行器起飛測試等。通過這些測試，研究人員獲得了完整的數據，證明其最新加工工藝的確提高了介電彈性體致動器和微型飛行器的整體性能。

任智健談到， 他們的大部分工作是在疫情期間完成的，所以其需要在有限的實驗時間里盡可能多嘗試不同的制作工藝，并對測試得到的數據加以分析，再去思考如何改進。

值得一提的是， 他們在提交初稿之后3個月就被接收，整體還是一次非常順利的過程。審稿人們認為，該研究在介電彈性體致動器和微型無人機領域都有著極其重要的意義，并夸贊了改進后的介電彈性體致動器制作工藝，表示“雖然簡單又傳統，但十分有效”。

任智健還表示，其在卡內基梅隆大學讀書時就與另一位論文共同第一作者蘇漢·金姆相熟，兩人已有一定的默契，所以他們在疫情期間能順利分配各自實驗任務并同時進行有效的溝通。

據了解，任智健本科畢業于上海交通大學自動化系，之后赴卡內基梅隆大學機械系攻讀碩士，目前博士就讀于麻省理工學院電氣工程與計算機科學系。

他表示，目前其所研發的介電彈性體致動器還停留在實驗室階段，到實際應用還有一定距離。長遠來說，這種介電彈性體致動器驅動的微型飛行器可應用于救援搜索、復雜地形勘探以及農業播種等領域。

下一步，該團隊打算在現有基礎上通過優化微型無人機的結構設計來增加其可控性。此外，他們還計劃基于低工作電壓設計出輕量化的供電電路，以達到無線化飛行的目標。