王中林院士AFM：由機械能驅動的仿生摩擦電軟體機器人

1、引言

相比于傳統的剛性機器人，軟體機器人因具有變形大、環境適應性強、人機交互性好等特點，近些年受到了國內外的廣泛關注，但其能源供給問題一直是研究者們面臨的一個巨大挑戰。目前，軟體機器人的主要驅動方式有兩種：流體壓力驅動和外界刺激響應驅動；典型的刺激響應驅動包括電刺激響應、磁刺激響應、化學刺激響應、熱刺激響應、光刺激響應等；與其他刺激響應的驅動方式相比，電刺激響應驅動方式更直接、更精確、且更可控；介電彈性體是電刺激響應驅動方式中較為典型的材料，然而其對高電壓（通常由相對笨重的高壓電源提供）的需求，限制了其進一步的應用。

摩擦納米發電機 (TENG) 由王中林院士于2012年發明，其基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應，能夠有效的從自然環境中收集機械能并將其轉化為電能，其天然特性是高電壓輸出，具有驅動電刺激響應材料的能力，表明 TENG 有為軟體機器人提供能源的巨大潛力。

2、成果簡介

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊設計開發了一種由機械能驅動的仿生摩擦電軟體機器人（triboelectric soft robot, TESR）。通過采用旋轉獨立層式摩擦納米發電機（RF-TENG）將機械能轉化為高壓電，用于驅動由軟伸長機體（soft-deformable body）和摩擦電腳（triboelectric adhesion feet, TAF)）組成的軟體機器人。這項工作為軟體機器人的能源問題提供了一種新的解決思路，對制造自驅動、無繩系的軟體機器人有重要的指導意義。該成果以“Bioinspired triboelectric soft robot?driven by mechanical energy” 為題近日發表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上。中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊博士研究生劉源、副研究員陳寶東、清華大學機械系博士后李偉為文章共同第一作者，王中林院士為通訊作者。

3、圖文導讀：

圖1 摩擦電軟體機器人（TESR）系統原理圖及應用演示。

（a）由TESR、控制模塊和旋轉獨立層式摩擦納米發電機（RF-TENG）組成的TESR系統示意圖。

(b) 軟伸長機體的結構爆炸圖。

(c) RF-TENG 的基本結構。

(d) 基于尺蠖運動原理的TESR爬行過程示意圖。

(e) RF-TENG在一個循環中的工作原理。

(f) TESR應用演示：爬水平隧道（I、II）和攀爬斜面（III、IV）。

圖 2 RF-TENG驅動下軟伸長機體的運行特性。

(a) TESR機體產生的位移和力的示意圖。

(b) RF-TENG驅動TESR機體電路圖。

(c) 無電阻或有電阻下TESR機體的位移-時間曲線。

(d-f) TESR機體在不同控制頻率和不同RF-TENG轉速下的電壓（d）、位移（e）和力（f）的曲線。

圖 3 由 RF-TENG驅動的TAF 特性。

(a)TAF在RF-TENG的驅動下產生切向力和法向力的示意圖。

(b) TAF的爆炸圖。

(c-h) TAF在不同材料表面的切向力和法向力：離型紙 I (c)、木材 (d)、砂紙 (e)、亞克力 (f)、銅 (g)、離型紙 II (h)。

圖 4 軟伸長機體的仿真結果。

(a) 由RF-TENG驅動的軟伸長機體在垂直方向上的位移（仿真結果）。?

(b-e) 不同控制頻率下軟伸長機體產生力的仿真和實驗數據對比：1 Hz (b)、2 Hz (c)、3 Hz (d)、4 Hz (e)。

(f-g) 不同控制頻率下軟伸長機體產生最大力（f），最大位移（g）仿真和實驗數據對比。

圖5 TESR在不同條件下的運動特性。

(a) TESR控制信號。

(b) TESR在不同材質基板表面蠕動速度隨控制頻率的變化。

(c) 和 (d) TESR在斜面（坡度30°）上和水平面上的爬行過程。

圖 6 TESR探索水平隧道并通過攜帶微型攝像頭傳輸隧道圖像。

(a) 系統示意圖。

(b) TESR爬行過程和微型攝像機實時記錄的圖像。

文獻鏈接：Liu, Y.,?Chen, B.,?Li, W.,?Zu, L.,?Tang, W.,?Wang, Z. L.,?Bioinspired Triboelectric Soft Robot Driven by Mechanical Energy.?Adv. Funct. Mater.?2021, 2104770.?https://doi.org/10.1002/adfm.202104770

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