清华大学刘辛军、赵慧婵 AFM：小尺寸柔性隔膜泵

2023-09-02 来源：高分子科技

小型流体泵是小型仿生机器人、可穿戴设备的关键技术之一，将小型流体泵集成到机器人或穿戴设备内部，并使其保持一定的柔性，在小型流体泵领域是个难点。

图 1 柔性泵结构示意图

近日，清华大学机械系刘辛军、赵慧婵团队设计并制备了一种柔性双腔室隔膜泵（图 1），该泵由空心柱状介电弹性体（通过条形薄膜卷绕而成）作为柔性泵的主动结构，柔性外壳作为被动结构，薄膜单向阀与前两者配合控制流体的流向。该泵尺寸仅为2.36 cm³，能够输出7.5 kPa的背压或者以空载状态输出340 mL/min的流量。该泵的输出压力能够通过激励电压进行精确控制，团队演示了通过该泵控制流体弹性体驱动器（图 2A）位移精确变化的过程（图 2B）。

图 2 柔性泵控制流体弹性体驱动器伸长与收缩

该柔性泵可以实现最大90度的弯曲，在弯曲角度小于60度之前，其流量与压力特性都没有明显减少（图 3A）。该团队将此泵以弯曲的状态置于一个模拟血液循环系统的“主动脉弓”中（图 3B），以验证该泵具有在“心脏”受损的情况下辅助“血液”循环的能力。

图 3 柔性泵弯曲状态性能图与应用演示

该团队也测试了该泵对气液两种工作介质的适应能力，其能够在驱动空气与驱动水两种介质之间任意切换（图 4A），并成功将其用于驱动一单自由度两栖爬行机器人（图 4B与C）。

图 4 柔性泵可以驱动气体和液体工质

该工作以“Soft Pocket Pump for Multi-Medium Transportation via an Active Tubular Diaphragm”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上，论文第一作者是清华大学机械系博士生姜淞文，通信作者为清华大学机械系刘辛军教授与赵慧婵副教授，其他作者包括中国海洋大学汤超副教授和清华大学机械系博士生东旭光等。

该工作是此团队对介电弹性体纵向研究的又一成果。基于硅橡胶介电质的介电弹性体能够以高频率实现机械振动（＞100 Hz），该团队对此类介电弹性体的研究起步于制备工艺与理论模型研究（Advanced Functional Materials, 2018, 28(42): 1804328），后续开展对其寿命保障的研究（Advanced Engineering Materials, 2021, 24(4): 2101017），并将其应用于实现一种亚厘米级管道环境的巡检机器人（Science Robotics, 2022, 7(66): abm8597）和一种高速柔性旋转电机（Advanced Intelligent Systems, 2023, 4(6): 2300243）。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305289

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（责任编辑：xu）

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