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学术分享丨Science Robotics 封面论文：重创微型飞行机器人的介电弹性驱动器，依旧坚挺！

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学术分享丨Science Robotics 封面论文：重创微型飞行机器人的介电弹性驱动器，依旧坚挺！

来源：世展网分类：人工智能行业资讯 2023-03-22 17:07 阅读：6469

2025年北京人工智能展-中国国际智能科技产业博览会世亚智博会

2025-06-08-06-10

距离140天

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adf4278飞行是最需要能量的运动模式之一。鸟类和空中昆虫在复杂而危险的环境中导航、觅食和躲避捕食者，它们经常遇到意外伤害。为了在自然界中生存，这些动物对捕食者攻击造成的飞行肌肉或翅膀的损伤表现出非凡的适应力。在探索杂乱和受限环境等应用的推动下，研究人员开发了微型飞行器（MAV），可以使用可折叠机翼抗冲击机制承受飞行中的碰撞。然而，与自然飞行肌肉不同，刚性飞行执行器不能容忍穿刺或切口损伤，这限制了MAV在执行高风险任务时的稳健性。

与刚性电机相比，肌肉状软致动器对于构建动物般的损伤弹性机器人至关重要。已经开发了广泛的自修复材料，用于恢复机械强度和电气连接。在气动夹具中，自愈弹性体可以在热处理后去除穿孔和泄漏。对于由液压放大的自愈致动器驱动的软机器人，介电流体可以容忍电击穿。然而，为了实现自愈性能，大多数材料和设计在具有更高的阻尼系数（粘弹性或粘度）方面做出了妥协，这导致功率密度有限（<200 W kg1)。尽管现有的自愈执行器在许多软机器人系统中已经显示出抗损伤能力，但由于带宽（<100 Hz）和可控性有限，它们无法实现飞行。在空中机器人中体现动物般的敏捷性和弹性仍然是一个尚未解决的重大挑战。

实现抗损伤飞行需要功率密集和容错的执行器。介电弹性体致动器（DEA）是功率密度最高的（>500 W kg1）软致动器，它们在水生，陆地和空中环境中实现了敏捷的机器人运动。然而，由于存在局部缺陷，大多数DEA在峰值性能条件下工作或遭受意外损坏时会遭受介电击穿和较短的使用寿命。严重的局部缺陷可能导致全局设备故障，这是DEA寿命和大小可扩展性的主要限制因素。为了承受缺陷或损坏引起的介电击穿，已经为DEA开发了自清除电极。自清除是一种机制，其中围绕缺陷部位的电极在施加的电流下降解，这种效应将局部损伤与本体电极隔离开来。尽管现有研究已经证明了DEA对轻微缺陷和损坏的恢复力，但自我清除不能隔离具有低电阻和介电强度的严重缺陷。DEA被针刺穿后，与未损坏的DEA相比，最大应变降低了60%以上。这种大幅的驱动性能降低将阻止机器人执行能量昂贵的任务，例如飞行。除了自清除外，还采用了其他自修复材料和设计以提高执行器的弹性。但是，这些替代方法在DEA性能和弹性之间进行权衡。它们的能量和功率密度仍然大大低于（<50%）优于表现最好的DEA。实现抗损伤飞行的主要挑战是在不影响功率密度和可控性等关键性能指标的情况下开发容错执行器。这项工作中提出了设计，制造和修复方法，这些方法导致了能够承受严重损伤的柔软人造飞行肌肉。首先，通过研究碳纳米管（CNT）浓度对自清除性能和器件功率密度的影响，优化了DEA电极。DEA 可以承受 100 多次穿刺，同时保持高功率密度（>700 W kg1）用于维持受控飞行。其次，开发了一种激光修复方法，可以隔离失败的DEA中无法清除的故障。论文展示了一种实验技术，可以通过电致发光可视化电极连接。通过结合激光烧蚀和自清除，这种修复方法可以可靠地隔离缺陷并恢复DEA性能，从而大大提高DEA的使用寿命和弹性。为了说明提出方法的有效性，使用受损的DEA构建了一个昆虫规模的扑翼机器人。在经历了严重的穿刺损伤、无法清除的故障和 20% 的机翼面积损失后，机器人展示了 12 秒反馈控制飞行，最大位置误差为 3.56 厘米。在这里，空中机器人遭受了严重的执行器损坏，并展示了具有相似位置和姿态精度的悬停飞行。这一结果不仅代表了现有机器人所缺乏的具有挑战性的仿生能力，而且还突出了应用软人造肌肉代替传统刚性执行器的独特优势。尽管DEA表现出独特的性能，如损伤恢复力，同时驱动和传感和电致发光，但在几个关键领域落后于刚性致动器。DEA需要更高的驱动电压（500 V至10 kV），并且大多数DEA的转导效率较低（15%至30%）。这些缺点对开发微尺度和中尺度（<20 g）功率自主软空中机器人提出了重大挑战。为了在软驱动机器人中实现无束缚飞行，未来的工作应集中在降低DEA驱动电压，提高转导效率以及开发紧凑型电力电子设备和能源上。同时，昆虫规模的软空中机器人可用于研究集体昆虫行为，例如辅助授粉或集体蜂巢建设。本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿