使用电和水一种新型电机可以将微型机器人滑动

环顾四周，你可能会看到电动机上的东西。它们功能强大，效率高，可以保持我们世界的大部分运动，从我们的计算机到冰箱，再到我们汽车的自动窗户。但是当这种电动机缩小到小于一立方厘米的尺寸时，这些品质会变得更糟。

麻省理工学院林肯实验室的化学，微系统和纳米技术集团的工作人员Jakub Kedzierski说：“在非常小的尺度上，你得到的是加热器而不是电机。” 今天，在微型计算机上不存在既高效又强大的电机。这是一个问题，因为需要这种规模的电动机才能使小型化系统运转 - 微型可以将激光器指向数千英里的一小部分，微型无人机可以挤入残骸中寻找幸存者，甚至是机器人可以爬过人体消化道。

为了帮助像这样的电力系统，Kedzierski和他的团队正在制造一种称为微液压执行器的新型电动机。执行器的移动精度，效率和功率水平在微观尺度上是不可能实现的。描述这项工作的论文发表在2018年9月的“ 科学机器人”杂志上。

微液压执行器使用称为电润湿的技术来实现运动。电润湿将电压施加到固体表面上的水滴以扭曲液体的表面张力。致动器利用这种扭曲来迫使致动器内的水滴移动，并与它们一起移动整个致动器。

“想想窗户上的一滴水; 重力使它扭曲，它向下移动，“Kedzierski说。“在这里，我们使用电压来引起失真，从而产生运动。”

致动器构造成两层。底层是一块金属片，上面刻有电极。该层覆盖有电介质，绝缘体在施加电场时变得极化。顶层是一片聚酰亚胺，一种坚固的塑料，在其中钻有浅通道。通道引导在两层之间施加的数十个水滴的路径并与电极对齐。为了阻止蒸发，将水与氯化锂溶液预混合，氯化锂溶液压缩水的蒸气压足以使微米级液滴持续数月。由于它们的表面张力和相对小的尺寸，液滴保持其圆形形状(而不是在层之间压扁)。

当电压施加电压时，致动器会起作用，但不会立即对所有电极施加电压。它是在每次打开每个液滴两个电极的循环中完成的。在没有电压的情况下，单个水滴中性地放置在两个电极1和2上。但是向电极2和3施加电压，并且突然液滴变形，拉伸以接触通电电极3并拉出电极1。

一个液滴中的水平力不足以移动致动器。但是，当该电压周期与阵列中每个液滴下方的电极一致地施加时，整个聚酰亚胺层滑过以平衡液滴对通电电极的吸引力。继续循环通过电压，液滴继续在电极上行走，层继续滑过; 关闭电压，执行器停在其轨道上。然后，电压成为精确控制执行器运动的强大工具。

但是执行器如何抵抗其他类型的电机?衡量性能的两个指标是功率密度，或电机相对于其重量产生的功率，效率或浪费能量的量度。在效率和功率密度方面最好的电动马达之一是特斯拉Model S轿车的马达。当团队测试微液压执行器时，他们发现它们仅落后于Model S的功率密度(0.93千瓦/千克)和效率输出(在最大功率密度下效率为60%)。它们广泛地超过了压电致动器和其他类型的微致动器。

“我们很兴奋，因为我们正在达到这个基准，而且随着我们扩大到更小的尺寸，我们仍在改进，”Kedzierski说。由于不管水滴大小如何，表面张力保持不变，因此致动器的尺寸更小 - 而较小的液滴可以为更多的液滴挤压并在执行器上施加水平力。“功率密度刚刚上升。这就像拥有一根绳子，它的强度不会因为变薄而减弱，“他补充道。

最新的执行器，靠近Model S的一个边缘，在液滴之间有48微米的间隔。该团队现在缩小到30微米。他们预测，在这种规模下，执行器将与特斯拉Model S的功率密度相匹配，并且在15微米处对其进行遮挡。

将执行器缩小只是等式的一部分。团队正在积极研究的另一个方面是3D集成。目前，单个执行器是一个双层系统，比塑料袋更薄，并且像一个塑料袋一样灵活。他们希望将执行器堆叠在类似脚手架的系统中，该系统可以三维移动。

Kedzierski设想这样一个系统模仿我们身体的肌肉基质，这是一种组织网络，可以让我们的肌肉实现瞬间，强大和灵活的运动。比肌肉强十倍，执行器在很多方面受到肌肉的启发，从灵活性和轻盈到流体和固体成分的组成。

正如肌肉在蚂蚁或大象的尺度上是一个出色的执行器一样，这些微型液压执行器也可以产生强大的影响，不仅在微观尺度，而且在宏观上。

“有人可能会想到，”Eric Holihan说，他正在组装和测试执行器，“这项技术应用于外骨骼”，它是用致动器作为栩栩如生的肌肉制造的，配置成柔性关节而不是齿轮。或者飞机机翼可能在电气指令上变形，数千个执行器相互滑动以改变机翼的空气动力学形式。

虽然他们的想象力正在搅拌，但该团队在开发大型执行器系统时面临着挑战。一个挑战是如何在该卷上分配功率。在开发微电池以与执行器集成的实验室的并行努力可以帮助解决该问题。另一个挑战是如何封装执行器以消除蒸发。

“在我们展示解决方案之前，可靠性和包装将继续成为我们对该技术提出的主要问题，”Holihan说。“这是我们希望在未来几个月里继续攻击的东西。”