科研|《Nature》：仅重1克！用于下一代软机器人的微型可伸缩泵

传统的泵和压缩机是由包括叶轮、轴承和电动机构成的庞大刚性系统。在工作的过程中，它们不仅需要润滑还极易产生噪音，就连基于压电执行器或电泳的微型泵也无不例外。电动柔性、可伸缩泵的缺乏阻碍了流体驱动软体系的多方面应用，例如机器人和机电一体化（致动器和传感器）、生物学（细胞培养的微流体）和可穿戴设备（热量分配）等。

近日，洛桑联邦理工大学软测量实验室 Herbert Shea教授和Vito Cacucciolo博士后开发了一台带有嵌入式柔性电极完全软的泵。该泵重量仅为1.0 g，可通过模块化泵元件（75 mm×19 mm×1.3 mm，流体通道尺寸为55 mm× 2 mm×0.5 mm）组成，没有活动部件，在工作时静音且不产生振动。此外，通过简单的调整电场就可对液体的流速进行掌控。最后，研究人员分别将可伸缩泵集成于纺织手套、嵌入软弯曲结构，展示了其在可穿戴、软机器人等领域的应用价值。

无线致动器应用展示

热传导应用展示

流体肌肉应用展示

它是如何工作的？

那么这种可伸缩泵的工作原理是什么呢？ 其实，在这种泵的流体通道里充满了介电液体。 当施加电压时，电子从电极跳跃到液体，使得一些分子带电。 而这些分子易被吸引到其他电极上，致使剩余流体的运动。 具体的机理主要有以下两种：

a. 带有倾斜电容器的传导泵。 首先在电极附近形成杂化电荷层，这些层相对于最近的电极具有更高浓度的相反极性离子。 然后，这些离子会被吸引到最近的电极并在那放电，导致电极表面电场流入，使得液体在具有倾斜几何形状的电容器中流动。

b. 带有交叉电极的电荷注入。 当电场足够高以克服能垒时，导致场发射，电子从阴极隧穿到介电液体中。 产生的离子被电场加速，直到它们在阳极放电，沿途传递动量到中性液体分子。

两种不同几何形状的电极和相应的电流体动力学（EHD）机制

图文速递

图1.基于电荷注入EHD的可伸缩泵。

a.由碳（左）和银电极（中间）制成的泵被弯曲，碳泵（右）被拉伸50%。 b. 可伸缩泵的示意图（左）。 顶层和底层是厚度为0.4mm的PDMS膜，其上图案化30μm厚的柔性电极。 通道是激光切割的0.5毫米厚的PDMS层。 泵的工作原理（右）。 顶部电极和底部电极都是相互交叉的。 相反极性的指状物之间的间隙g为0.5mm，指状物对之间的间隔为1mm。 通道充满介电液体。 当施加的电场超过5-8 Vμm-1的阈值时，电子从阴极隧穿到液体中。 产生的离子（X-）被电场加速，直到它们在阳极放电，沿着它们的路径拖动中性液体，从而导致流体流动。 c. 可伸缩泵，微型泵（TCS Micropumps，MGD 1000S）和现成的压缩机（McMaster，单罐便携式空气压缩机）之间的性能比较。 d. 利用压缩泵演示心形气球两个心室间液体的移动。 通过改变施加电压的极性，可以反转流动方向。 泵由20 g，6 kV的电池供电。 经过31秒，液体可以从左心室送到右心室； 通过104秒又可从右送到左。

图2.可伸缩EHD泵的性能。

a.碳泵在0％和10％应变下的压力与流速的关系。 在10％应变下电压增加10％，以保持与0％应变相同的电场。 b. 碳和Ag泵的零流量（输出阀关闭）的压力和电流与施加电压的关系。 对于Ag泵，可以通过反转所施加电压的极性来反转流动方向。 c. 对Ag泵进行寿命测试，施加±8 kV方波1小时。 d. 碳泵响应1 Hz方波振幅0-4.7 kV产生的压力。 e. 碳泵对4.5kV电压阶跃的瞬态响应，显示压力上升时间为0.4s，下降时间为0.14s，均为10％至90％压力。 f. 当一个，两个或所有三个泵启动时，三个泵串联连接产生的压力。 对于代表一个泵和两个泵的曲线，显示的数据是三次实验的平均值，以便包括来自所有三个设备的数据。

图3.将可伸缩泵嵌入纺织手套中，用于体内热调节。

闭环流体回路包括泵和缝在纺织手套（“冷”侧）中的蛇形柔性管，以及粘合到柔性加热器（“热”侧）的蛇形柔性管。 当泵运行时，佩戴者可以容易地弯曲手腕。 泵使流体从加热器循环到手套，然后返回到另一侧。 红外图像中的颜色对应于温度图（参见最右边的颜色条）。 最左边的红外图像显示加热器和泵都关闭时的初始状态。 对于第二个红外图像，加热器打开，泵关闭： 加热器的温度远高于臂的温度。 泵启动几秒钟后拍摄第三张红外照片。 人们可以看到冷液从右管进入“热”回路，热量从左管传出。 最右边的红外图像显示，在40秒的流体循环后，加热器的温度降低。 软泵的温度不变确认了其可忽略不计的热量产生。

图4. 将可伸缩泵与弯曲流体制动器结合制备流体肌肉。

a.流体肌肉的纵向横截面示意图，显示主要成分。 泵的入口与致动器底部的小容器相连，而出口与波纹管形弯曲室（软致动器室）相连。 b. 整个执行器柔软，容易变形。 c. 一旦预先填充介电液体，执行器就没有任何外部管道。 当施加电压时它会弯曲： 软泵将液体从储液器移动到弯曲室，从而产生变形。 d. 测量的弯曲角度与施加电压的函数。

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