微型水力致動器：有望成為最強大且高效的微型馬達！

導讀

目前，美國麻省理工學院的科研團隊正在製造一種新型馬達，也稱為微型水力致動器。目前，在微尺度，這種致動器移動的精度、效率和功率，都是其他設備無法超越的。

背景

環顧四周，你會很容易發現一些依靠電動馬達來維持運動的東西。這些馬達不僅強大而且高效，使得世界上大部分的東西能維持運動，從電腦到冰箱，再到車內的自動窗。

電動馬達動畫（圖片來源：維基百科）

可是，當這些馬達的尺寸縮小至小於立方厘米時，這些特性將變差。美國麻省理工學院林肯實驗室化學、微系統與納米技術小組成員 Jakub Kedzierski 表示：「當尺寸變得非常小時，你得到的不是一個馬達，而是一台加熱器。」如今，沒有一台微小尺寸的馬達能做到既高效又強大。為了讓微系統運動起來，我們需要微小尺寸的馬達。這些微系統包括：能使激光跨越幾千英里指向零點幾度的微型常平架、可飛進殘骸中尋找倖存者的微型無人機、甚至是可爬進人類消化道的機器人。

創新

為了給此類系統提供能量，美國麻省理工學院的 Kedzierski 及其團隊目前正在製造一種新型馬達，也稱為微型水力致動器。目前，在微尺度，這種致動器移動的精度、效率和功率，都是其他設備無法超越的。一篇描述這項研究的論文發表在2018年9月份的《自然機器人學（Science Robotics）》期刊上。

技術

這種微型水力致動器採用一種稱為「電潤濕」的技術來實現移動。電潤濕技術向固體表面上的水滴施加一個電壓，使得液體表面張力產生變化。致動器利用這種變化，迫使致動器內部的水滴與整個致動器一起移動。

Kedzierski 表示：「想想玻璃窗上的一滴水，重力會使之變形，它會向下移動。這裡，我們採用電壓引起這種變形，從而產生移動。」

（圖片來源：Glen Cooper）

致動器由兩層構成。底層是一片金屬，電極被壓印到其中。這一層被一個電介質覆蓋，當有電場施加時，絕緣體變成極化的。頂層是一片聚醯亞胺，一種強大的塑料製品，其中鑽有淺槽。這些槽引導許多水滴的路徑，這些是水滴位於兩層之間，與電極對齊。為了延緩蒸發，水滴預先與氯化鋰溶液混合，從而充分地降低了水的蒸汽壓力，使得微米尺寸的水滴可以保持數月。由於水滴的表面張力和相對較小的尺寸，水滴保持它們的圓形（而不是在兩層之間被壓扁）。

（圖片來源：Glen Cooper）

當有電壓施加在電極上，致動器變得活躍起來，儘管並不是所有的致動器都立即變活躍。每一滴水一次打開兩個電極。沒有電壓時，單個水滴會在兩個電極（1和2）上中性地休息。但是，向電極2與電極3施加一個電壓之後，水滴就突然會變形，拉伸去接觸通電的電極3，並脫離電極1。

一個水滴中的這種水平力不足以移動致動器。但是，將這種電壓循環施加到每個水滴之下的電極陣列上，整個聚醯亞胺層會滑動來滿足水滴的吸引，讓電極通電。不斷地維持電壓循環，水滴持續地走過電極，這一層繼續滑動；關閉電壓，致動器會停止在其軌道上。這樣，電壓就變成一個強大的工具，可精準地控制致動器的運動。

價值

然而，致動器是如何勝過其他類型的馬達的呢？測量性能有兩個指標是：功率密度，也就是馬達功率與其重量之間的對應關係；效率，或者說是對浪費的能量的度量。基於效率與功率密度的考量，最佳的電動馬達之一就是特斯拉 Model S 轎車的馬達。當團隊測驗微型水力致動器時，他們發現其功率密度只落後 Model S 轎車的功率密度（每千克0.93千瓦）一點點，而效率輸出（最大功率密度的條件下可達60%）。它們廣泛地超越了壓電致動器以及其他類型的微型致動器。

Kedzierski 表示：「我們感動振奮，因為我們正在靠近那個標杆。隨著我們縮小到更小的尺寸，我們也在持續改善。」因為無論水滴的大小如何，表面張力都會保持一樣，較小的水滴為容納更多的水滴節省了空間，讓它們可以擠進來，在致動器上發揮它們水平力的作用。所以尺寸越小，致動器將改善得更好。他補充道：「功率密度猛增。就像一根繩子，隨著繩子變細，其強度不會變弱。」

最新的致動器，接近於Model S，水滴之間的間隔是48微米。團隊正在將它縮小至30微米。他們預計，按照這種尺度，致動器將在15微米時將達到 Tesla Model S 的功率密度。

縮小致動器的尺寸只是方程的一部分。團隊正在研究的其他方面是三維集成。目前，一個單獨的致動器是一個兩層系統，比一個塑料袋更薄，柔性與一層差不多。他們想要在腳手架一般的系統中堆疊致動器，該系統能在三維空間中移動。Kedzierski 憧憬著這種系統可以模擬我們人體的肌肉基質，這種組織網路使我們的肌肉可以完成瞬間、強大、靈活的運動。致動器比肌肉要強大十倍，在許多方面受到了肌肉的啟發，從柔韌性與輕量，到由液體和固體成分組成。

無論是按照螞蟻還是大象的尺寸，肌肉都是一種卓越的致動器，而這些微型水力致動器也一樣，它不僅能在微觀級別產生影響，宏觀層面也一樣。

組裝和測試致動器的 Eric Holihan 表示：「我們可以現象，這項技術可以應用於外骨骼。」 這些外骨骼由致動器構成，像栩栩如生的肌肉一樣工作，具有靈活柔韌的關節而不是齒輪。這項技術也可以應用于飛機機翼，可以根據電氣命令產生形狀變化，幾千個致動器可以彼此滑動改變機翼的空氣動力外形。正當想像力翻騰時，團隊卻要面臨如何開發大型致動器系統的挑戰。然而，在實驗室正在同步開發可集成到致動器中的微型電池，幫助解決上述問題。另外一個挑戰就是如何包裝致動器，從而避免蒸發。

Holihan 表示：「信賴性和包裝將繼續成為我們所面對的主要技術問題，直到我們找到解決方案。這是我們未來數月將要解決的首要問題。」

關鍵字

馬達、外骨骼、致動器、無人機、機器人

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/using-electricity-and-water-new-motor-can-slide-microrobots-into-motion-1119

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