|
SRI小組的領(lǐng)導(dǎo)者Ron Pelrine介紹說：“在與日本簽署微型機(jī)器計(jì)劃（Japanese micro-machine program）合同之后，斯坦福研究院（SRI INTERNATIONAL）從1992年開始研究人造肌肉。”他從前是一名物理學(xué)家，現(xiàn)在轉(zhuǎn)行做機(jī)械工程師。日本官方在尋找一種新型的微致動(dòng)器技術(shù)。幾位SRI研究人員開始尋找一種在力學(xué)、沖程（線性位移）以及應(yīng)變（單位長度或單位面積的位移量）等方面的性質(zhì)與自然肌肉類似的致動(dòng)材料。
當(dāng)處于電場中時(shí)，所有的絕緣塑料（例如聚亞安酯）將會(huì)沿電力線的方向收縮，同時(shí)沿垂直于電力線的方向膨脹。這種現(xiàn)象與電致伸縮不同，被稱為麥克斯韋應(yīng)力。Pelrine 說：“這種現(xiàn)象早就為人們所熟知，但一直被當(dāng)作是一種很麻煩的效應(yīng)?！?/span> 他意識(shí)到，比聚亞安酯更軟的聚合物在靜電吸引作用下將更容易擠壓，因而可以提供更大的機(jī)械應(yīng)變。通過對軟硅樹脂進(jìn)行試驗(yàn)，SRI的科學(xué)家很快證明其應(yīng)變在10-15%之間，這十分合意。經(jīng)過進(jìn)一步研究，這個(gè)數(shù)字還可以提高到20-30%。為了區(qū)別這種新的致動(dòng)器材料，硅樹脂和其他較軟的材料被命名為電絕緣橡膠（dielectric elastomers）（也被稱為電場活化聚合物。） 在確定出幾種有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分時(shí)間內(nèi)，該小組將注意力集中于研制特定設(shè)備應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)。當(dāng)時(shí)，該SRI研究小組新的外部經(jīng)費(fèi)支持和研究方向由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和海軍研究中心（Office of Naval Research）提供，其主管的首要興趣在于將該技術(shù)用于軍事目的，包括小型偵察機(jī)器人以及輕型發(fā)電機(jī)。 由于橡膠開始表現(xiàn)出大得多的應(yīng)變，工程師意識(shí)到電極也必須是可以膨脹的。普通金屬電極無法伸長，除非將其割裂。Pelrine提到：“起先，人們不用為這個(gè)問題操心，因?yàn)樗麄冄芯康牟牧纤峁┑膽?yīng)變只有1%左右?！弊詈螅撗芯啃〗M開發(fā)出一種基于在橡膠陣列（elastomeric matrix）中填充碳粒的屈從電極（compliant electrodes）。他指出：“由于電極和塑料一起膨脹，它們可以在整個(gè)活動(dòng)區(qū)域之間保持電場?！盨RI International為該概念申請了專利，它是后來人造肌肉技術(shù)的關(guān)鍵之一。 Pelrine急于向我們展示，他拿出一個(gè)15厘米見方看上去像相框的東西，其兩面的塑料包夾由于膨脹而緊繃著?！翱矗@種聚合物材料延展性非常好，”他說，同時(shí)用一只手指按入其透明薄膜?！八鼘?shí)際上是一種雙面膠帶，一大卷的價(jià)格很便宜?！痹谥虚g夾片的兩面是黑色、鎳幣大小的電極，連著導(dǎo)線。 Pelrine擰開電源的控制旋鈕。立刻，黑色的圓形電極對開始膨脹，直徑增加了四分之一。當(dāng)他將旋鈕擰回到原來位置時(shí)，電極馬上又收縮至原狀態(tài)。他咧嘴笑了笑，并且重復(fù)操作了好幾次，解釋說：“根本上，我們的設(shè)備就是電容，也就是兩塊平行的充電平板，中間夾著電絕緣材料。當(dāng)電源接通時(shí)，正負(fù)電荷分別在相反的電極上積累。電極平板互相吸引并且擠壓中間的絕緣聚合物，并且聚合物的面積擴(kuò)大?！?/span> 盡管已經(jīng)確定出幾種有前途的材料，要想在實(shí)際設(shè)備中實(shí)現(xiàn)可接受的性能的確是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而，該小組在1999年取得的一系列突破引起了美國政府及工業(yè)界相當(dāng)?shù)呐d趣。  有人通過觀察發(fā)現(xiàn)，在電活化聚合物材料之前預(yù)先拉伸它，將大大提高其性能。小組的另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶說：“我們開始注意到存在一個(gè)甜區(qū)（sweet point），這時(shí)可以獲得最優(yōu)性能。沒有人確切地知道為什么，但是預(yù)拉伸聚合物可以使擊穿強(qiáng)度【電極之間電流通路（passage of current）的阻力】增加100倍之多?！彪娀罨瘧?yīng)變提高的幅度與之類似。盡管原因還不是很清楚，SRI的化學(xué)家裴其冰（音）認(rèn)為：“預(yù)拉伸可沿平面膨脹方向定位分子鏈，并且材料使得沿該方向更加堅(jiān)硬?！睘榱双@得預(yù)拉伸效果，SRI的致動(dòng)器設(shè)備采用了一個(gè)外部支撐結(jié)構(gòu)。第二項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)得益于研究人員“測試我們所知道的每一種可伸展材料，我們稱之為愛迪生方法，”Pelrine愉快地告訴我們。（為找到合適的電燈燈絲材料，托馬斯·愛迪生系統(tǒng)地試驗(yàn)過各種材質(zhì)。）“在我家里，為了不讓我那剛會(huì)走路的孩子亂拿東西，我們用一把以聚合物材料做的門鎖將冰箱鎖住。孩子逐漸長大，我們不再需要鎖什么東西，因此將鎖拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我決定測試一下它的應(yīng)變屬性。令人驚訝的是，它擁有極佳的性能。”追溯鎖的來源以及分析其組成不是什么難事，最后，這種神秘的聚合物“原來是聚丙烯酸橡膠，它可以提供極大的應(yīng)變和能量輸出，線性應(yīng)變達(dá)380%之多。這兩項(xiàng)進(jìn)展使得我們能夠開始將電絕緣橡膠應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的致動(dòng)器設(shè)備中。”該研究人員介紹說。 |
|
|
