陈贵敏&张弛&王中林院士Nano Energy：TENG-Bot：由单向介电弹性体制成的摩擦纳米发电机直驱式的软体机器人

【引言】

软体机器人是将软体驱动器、柔性结构和可拉伸的传感器巧妙地集成而开发出来的。它们在医疗手术、水下操作和人类援助等方面具有广阔的应用前景。介质弹性体（DEA）是一种新兴的软体驱动器，具有响应速度快、能量密度高和类似人体肌肉的大应变等优点。据报道，由DEA驱动的不同类型的软体机器人具有不同的性能，包括爬墙、游泳、蠕动、抓取物体和无人机飞行。然而，驱动DEA需要超过1000V的电压，这通常需要将机器人外接电源系统上。尽管车载电源电子技术已经发展为集成电源模块，但操作时间有限，这极大地限制了DEA驱动的软体机器人系统的移动续航能力。摩擦纳米发电机（TENG）能够为电容性器件产生高开路电压，可以为DEA供电提供一种替代方案。TENG能通过摩擦带电和静电感应耦合将机械能转化为电能，作为电磁发电机的互补电源。文献已经证实，TENG驱动的DEA可实现自供电光调制器，其中静态应变由TENG调节。然而，基于DEA的机器人的动力学运动尚未实现。据知，这是因为在以往的软体机器人设计中，DEA有多个自由度，但软机器人在运动中可能只有有限的自由度。因此，将DEA应变传递到机器人位移时，传递效率不足会耗散大部分能量。当机器人由传统的电源设备提供足够的能量时，这个问题就不需要考虑了。当一个TENG动力源与一个软机器人结合时，考虑到TENG可以收集有限的能量，应该实现更高效率的机械传动。

【成果简介】

近日，在西安交通大学陈贵敏教授团队、中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士等人带领下，开发了一种单向DEA驱动的软体机器人。它将DEA的变形方向与机器人运动方向进行自由度上的一致，实现了高效的能量转换，产生的最大爬行速度为110mm(2.2体长)/秒，有效载荷能力为40g，然后利用独立的TENG构建了一个TENG-Bot，即TENG-软体机器人联动系统。受益于结构简单、效率高的特点，TENG产生的电能可以直接驱动机器人，无需额外的控制面板。实验证明，TENG的滑动速度与软体机器人的速度之间存在线性关系，具有直接的控制策略。TENG-Bot通过采集环境运动，为开发自供电软体机器人提供了一条路线。该成果以题为“TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 TENG和软机器人联动系统的原理

（A）独立的TENG直接连接到软体机器人。该软体机器人由介电弹性体驱动器（DEA）、一个可展柔顺梁和三个单向轴承组成。

（B）当滑动TENG时，会产生电压来驱动DEA。DEA伸长和收缩，从而使机器人移位。在一个滑动周期中，软体机器人完成一个运动步骤。

（C）在实验室中建立了联动系统。

（D）软体机器人的断电和驱动状态，显示向前位移。

图2 软体机器人的特性

（A）具有单向DEA的软体机器人设计。

（B）软体机器人的线性机械性能。

（C）机器人的速度与各种电压波形（方波、三角波、正弦波）的电压频率之间的关系。

（D）机器人在不同占空比下的速度曲线。

（E）机器人在不同振幅下的速度曲线。

（F）软体机器人的速度与频率的关系。

（G）软体机器人的速度与有效载荷重量的关系。

图3 软体机器人的运动性能

（A）软体机器人在18Hz频率下的一系列运动的快照。

（B）软体机器人以50mm/s的速度爬行，有效载荷为20 g。

（C）软体机器人通过增加偏置电压，以降低其身体穿过隧道。机器人的左视图在狭窄的缝隙中移动，这个缝隙是机器人高度的一半。这个过程由五种状态组成：待机、I、II、III和完成。

（D）状态II，偏置电压升高，DEA围绕新的平衡状态振动，使得机器人高度降低。

（E）机器人在活动过程中的正视图。

图4 可编程的TENG滑动过程和TENG中产生的电能

机械能由TENG收集，并转换为周期性的电能。在快速傅立叶变换（FFT）之后，识别出主要的致动频率。在TENG的滑动中，以a = 1 m/s²的加速度，以（A）的形式设计滑动速度，以（D）的形式设计滑动距离。对于a = 1、10和20 m/s²，滑动速度和滑动速度在（B）、（C）、（E）和（F）中。生成的电压在时域中绘制在（G-I）中。FFT的结果绘制在（J-L）中，其中标识了每个主驱动频率。

图5 TENG-Bot的运动性能和关系

（A）TENG在不同加速度下的滑动速度。

（B）软体机器人的速度由TENG的滑动速度控制。当TENG滑动到0.8 m/s以下时，存在单调递增的线性关系。

（C）有效载荷对软体机器人的爬行速度控制的影响。

【小结】

综上所述，本研究展示了一种直接TENG动力和控制的TENG-Bot。提出了一种由单向DEA、柔顺机器人主体和单向轴承轮组成的软体机器人。建立了理论模型来表征DEA的机电耦合，首次设计实现了由摩擦纳米发电机（TENG）供电的机器人系统。在实验表征中，证明了软体机器人在4 kV、26 Hz的方波电压下，能够以110 mm/s的速度（2.2体长/秒）进行运动，并携带最大有效载荷40 g（质量载荷比与机器人重量之比为3.8），这些都优于之前报道的一些软体机器人。在不需要额外的驱动器的情况下，这种软体机器人就可以调整其形态，仅通过调整偏置电压即可通过一个狭窄的间隙。在TENG-Bot中实现了静态和动态驱动方案中的线性性能，其特点是由独立模式TENG直接控制动力。实验结果表明，无论有效载荷大小，软体机器人的运动速度与TENG的滑动速度之间都有很好的线性关系，这对机器人的动力和控制具有重要的指导意义。本文提出的TENG-Bot将为新一代智能软体机器人的能源获取与驱控技术设计铺平一条新的道路。

文献链接：TENG-Bot: Triboelectric nanogenerator powered soft robot made of uni-directional dielectric elastomer（Nano Energy, 2021, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106012）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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