相關(guān)論文以《一種由低壓長(zhǎng)壽命介電彈性體致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的高升程微型空中機(jī)器人》為題發(fā)表，并被選為該期刊的封面文章。

介電彈性體致動(dòng)器能夠基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)直接把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，用于軟體機(jī)器人的“ 肌肉” 制作。不過(guò)，相較驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)器人的壓電雙晶片和電磁電機(jī)等剛性執(zhí)行器，市面上大部分介電彈性體致動(dòng)器的功率密度和壽命都較低，且需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓。

為此，來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“基于并聯(lián)多層電極材料技術(shù)、具有低驅(qū)動(dòng)電壓、強(qiáng)耐久性”的新型介電彈性體致動(dòng)器，不僅能夠提升微型飛行器的動(dòng)力，而且使其各方面表現(xiàn)都優(yōu)于當(dāng)前同尺度下的其它飛行器。

據(jù)了解，集成該介電彈性體致動(dòng)器的空中機(jī)器人在現(xiàn)有亞克級(jí)空中機(jī)器人中性能最好、飛行時(shí)間最長(zhǎng)，其懸停時(shí)間達(dá)到20秒，位置和姿態(tài)誤差分別小于2.5厘米和2度，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)200萬(wàn)次驅(qū)動(dòng)循環(huán)的長(zhǎng)使用壽命。

而且，該機(jī)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(dá)到的最好性能。

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

此外，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)介電彈性體致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓較高的問題做出了努力。此前介電彈性體致動(dòng)器需要達(dá)到接近2000V的工作電壓才能使機(jī)器人完成起飛，而他們最新研制的介電彈性體致動(dòng)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(fā)，降低電壓就是要在減小每層彈性聚合物厚度的同時(shí)，增加相應(yīng)的層數(shù)。雖然思路很容易被想到，但具體操作起來(lái)就會(huì)有各種各樣的問題。

比如，層數(shù)增加會(huì)使得烘烤聚合物的時(shí)間增長(zhǎng)， 驅(qū)動(dòng)器的整體制作時(shí)間也成倍增長(zhǎng)，不利于進(jìn)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(cè)試的過(guò)程中被擊穿，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器整體性能的下降。

面對(duì)這些問題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了反復(fù)的制作工藝調(diào)整和樣品測(cè)試，同時(shí)引入了一些針對(duì)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(lái)大幅減少氣泡，以及多次放入烤箱等具體加工工藝細(xì)節(jié)。在不斷的摸索與嘗試過(guò)程中，他們最終找到了比較穩(wěn)定的加工工藝。

隨后， 他們還進(jìn)行了各種對(duì)比測(cè)試，如靜態(tài)扇翅測(cè)試、動(dòng)態(tài)升力測(cè)試和最后的飛行器起飛測(cè)試等。通過(guò)這些測(cè)試，研究人員獲得了完整的數(shù)據(jù)，證明其最新加工工藝的確提高了介電彈性體致動(dòng)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(shí)驗(yàn)時(shí)間里盡可能多嘗試不同的制作工藝，并對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)加以分析，再去思考如何改進(jìn)。

值得一提的是， 他們?cè)谔峤怀醺逯?個(gè)月就被接收，整體還是一次非常順利的過(guò)程。審稿人們認(rèn)為，該研究在介電彈性體致動(dòng)器和微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域都有著極其重要的意義，并夸贊了改進(jìn)后的介電彈性體致動(dòng)器制作工藝，表示“雖然簡(jiǎn)單又傳統(tǒng)，但十分有效”。

任智健還表示，其在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)讀書時(shí)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?cè)谝咔槠陂g能順利分配各自實(shí)驗(yàn)任務(wù)并同時(shí)進(jìn)行有效的溝通。

據(jù)了解，任智健本科畢業(yè)于上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，之后赴卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械系攻讀碩士，目前博士就讀于麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系。

他表示，目前其所研發(fā)的介電彈性體致動(dòng)器還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，到實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，這種介電彈性體致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型飛行器可應(yīng)用于救援搜索、復(fù)雜地形勘探以及農(nóng)業(yè)播種等領(lǐng)域。

下一步，該團(tuán)隊(duì)打算在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化微型無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)增加其可控性。此外，他們還計(jì)劃基于低工作電壓設(shè)計(jì)出輕量化的供電電路，以達(dá)到無(wú)線化飛行的目標(biāo)。