浙大研发世界首个可自愈“机器心脏”，灵感来自蜘蛛心脏，搭配中国桐油
2021年04月21日 13:28:57
来源：DeepTech
是什么让这条软体机器鱼优哉游哉？
图 | 软体机器鱼（来源：受访者）
又是什么让这款机器人小车滚滚前行？
图 | 机器人小车（来源：受访者）
虽然一个是 “鱼”、一个是车，看似风马牛不相及，但它们有着共同的 “机器心脏”—— 柔性电液泵。
图 | 柔性电液泵（来源：受访者）
该“心脏” 由浙江大学机械工程学院邹俊课题组设计，也是世界首个可通过自身液体自愈的柔性电液泵。
他告诉 DeepTech，研究灵感来自于蜘蛛，其体内含有一套独特的生物液压系统，蜘蛛心脏是核心动力部件，通过心脏把血淋巴泵送到腿部，血淋巴的液压能量、就能转换为腿部的敏捷运动。
此外，蜘蛛的自然进化，可让血淋巴主动对受损组织、或皮肤进行自修复，从而极大提高环境适应力。
图 | 柔性电液泵的结构、原理以及自愈（来源：受访者）
邹俊表示：“一直以来，跑冒滴漏和噪声问题，是液压系统的顽疾，这严重制约了液压系统的应用。”
此外，传统液压系统由于便携性差，使用时非常受限。那么能否研究出一种液压泵，其功能类似于蜘蛛心脏，既能驱动又能自愈呢？
图 | 蜘蛛心脏位置（来源：受访者）
受此启发，他和团队研发出这款柔性电液泵，通过电场就能实现介电液的静音泵送，还可通过在液体中添加自愈因子，实现破损和渗漏区域的自我修复。
4 月 14 日，Nature Communications 报道了这一研究成果，论文标题为 “Customizing a self-healing soft pump for robot”。其中，浙江大学博士研究生唐威为论文第一作者，张超副研究员和邹俊教授为论文通讯作者。
图 | 相关论文（来源：受访者）
当古老的桐油遇见科学
据邹俊介绍，无需移动部件，柔性电液泵就能实现液体的运动与操控。
其主要构件包括：一个带有四个圆孔的柔性环电极、两个带有四个针的柔性针电极、两个绝缘电极支架、和一个绝缘弹性体外壳。
图 | 柔性电液泵的基本结构（来源：受访者）
研究中他和团队发现，由柔性硅橡胶材料制成的针孔电极对，可实现电流体的动力输出，基于此他和团队设计出了由全柔性材料制作的柔性电液泵。
为了实现类似蜘蛛血液的自愈功能，他改进了柔性电液泵泵送的电响应介电液体，并在其中均匀融入桐油液体。
这样可让电响应介电液体、蜕变成一种可修复破损硅胶外壳的自愈性液体，从而实现液体泵送和自我修复的双重功能。
图 | 戳破外壳来进行自愈能力检测（来源：受访者）
其中，中国古人就在使用的桐油，在研究中起到了重要作用。
桐油是一种干性油，它由氧键脂肪羧酸残基和活性共轭碳 - 碳双键组成，因此具有优良的固化性能，其在空气中会固化成膜，并可用于修复受损的柔性材料。
因此，基于桐油改进后的功能液体，不仅具备电流体的驱动性能，又具备桐油的修复功能，柔性材料再也无惧损坏。
图 | 被戳破后的流体具备自愈功能（来源：受访者）
改进后的功能液体，全名叫癸二酸二丁酯 - 桐油溶液，里面均匀地溶解着桐油。
图 | 柔性电液泵自愈液体治疗损伤的示意图（来源：受访者）
当桐油暴露在空气中时，由于活性共轭碳 - 碳双键很容易和氧气结合，因此会被和氧连接的脂肪羧酸残基吸收，从而引发均聚反应，最终会形成固体膜。
当柔性材料受到损伤时，泵内自愈液会暴露在空气中，凝固后即可自动修复损伤。修复完成后，泵不仅能恢复正常工作，而且不发生任何泄漏。
图 | 功能性液体的自愈能力（来源：受访者）
同时，受损后的自愈材料，其原来的特征也可得到保留。
具体来说，在 20℃ 时，自愈膜的储能模量为～14.3kpa，在 25℃ 时为～13.2kpa，在 30℃ 时为～10.6kpa。
在以上三种温度下，自愈膜的损耗模量分别为−3.1 kPa、−2.5 kPa 和−2.1 kPa。由此可见，能量损失非常少。
图 | 自愈膜的储能模量及损耗模量测试（来源：受访者）
为了进一步验证自愈膜、和硅橡胶膜之间的粘附性能，邹俊对这两种膜进行了重复拉伸试验。
把硅橡胶膜以每次 20% 的应变、重复拉伸 200 次后发现，硅橡胶膜与自愈膜仍能牢固地粘结在一起，这说明它们之间具有良好的粘结性能。
图 | 自愈膜与硅橡胶膜的粘接拉伸测试（来源：受访者）
但温度对自愈时间有着明显影响，同样受损情况下，35℃ 环境中完全自愈耗时约 6 小时，24℃ 环境中自愈耗时约 1 天。
修复后的流体动力系统，能连续工作 2 小时，而且全程无泄漏，这证明了该自愈方法的有效性和可靠性。
不过，这种自愈只能在空气中实现，而无法在水中实现，因为水中缺乏与空气的接触。
图 | 自愈过程（来源：受访者）
就柔性电液泵的工作步骤来说，当泵内充满功能液体时，在柔性针孔电极的电场作用下，针孔之间可以产生射流，以便实现泵送功能。
图 | 柔性针孔电极对之间产生强大的射流（来源：受访者）
由于柔性针电极、位于柔性孔电极两侧，通过电路的切换，柔性电液泵能快速实现流体的正反向流动，从而变成一个高度可控的双向变量液压泵。
图 | 用柔性电液泵在两个圆柱形储罐之间泵液体（来源：受访者）
其工作原理是，在正极和接地电极之间的强烈、且不均匀电场作用下，针电极附近少量中性液体分子中的电子，被剥离变成正离子。
在库仑力（一种物理学定律）的作用下，这些自由的正离子、从针电极快速移动到孔电极，并拖动大量的中性液体分子、与之一起流过孔电极，从而形成强大的射流。
图 | 柔性电液泵的工作原理（来源：受访者）
当正离子到达孔电极时，正离子在接地的孔电极上放电，重新变成中性液体分子。在通电情况下，这些过程会持续进行，泵内液体也会一直流动。除非切断电流，流动才会停止。
此外，邹俊还对柔性电液泵进行了理论建模，并用仿真软件 COMSOL Multiphysics 进行了数值模拟。
图 | 柔性电液泵带来的动力（来源：受访者）
为了匹配柔性电液泵，他们还自主设计出一款小型驱动电路板，该电路板使用电池、或无线电力传输系统作为动力，它能让柔性电液泵实现双向可逆泵送。
结合小型驱动电路板，柔性电液泵可嵌入不同的液压动力系统和机器人系统，从而让前文的软体机器鱼和机器人小车实现无束缚运动，这也是无束缚软体机器人中的巨大进步。
图 | 柔性电液泵的数值模拟结果（来源：受访者）
可实现液压系统的 “私人订制”
实际应用中，就电液泵的外貌和泵送能力来说，不同液压动力系统的需求，也各不相同。庆幸的是，柔性电液泵的尺寸和形状，可根据具体需要进行定制。
泵的尺寸可大可小，为的是可以匹配不同尺度的机器人系统。此外，柔性电液泵的外壳和电极配置的设计空间很大，比如可以设计成圆柱形、三角形、五角形和模仿心脏外形等。
图 | 各种尺寸及形貌的柔性电液泵（来源：受访者）
另外，柔性电液泵通过针孔电极对产生流动，产生的流量与压力较大，并且它由轻量化的柔性材料制成，质量也比较轻。
相比同尺寸的传统刚性泵，在同样重量下，这种泵能产生更大的输出流量和压力，同时具备较好的可携带性。
在可控性上，柔性电液泵为一种电控泵，只需结合驱动电路板，就可实现快速双向可逆控制。
图 | 柔性电液泵的泵送性能及性能对比（来源：受访者）
在驱动上，它可实现静音驱动，因为它不含可移动部件，因此驱动时既没有声音、也没有振动。
当然最重要的，是柔性电液泵的自愈能力，一旦柔性材料能实现自我修补，就能给相关设备节约制造成本。
不过邹俊也坦言，目前的柔性液压泵只是初期版本，在驱动能力、制作方式和响应速度上，还有较大提升空间。
其还表示：“该研究为液压系统的静音驱动和自修复，提供了新型解决方案，有望大幅提升液压系统的环境自适应能力，同时也为穿戴式装备的无绳驱动，提供了新思路。”