王中林院士AFM：由机械能驱动的仿生摩擦电软体机器人

1、引言

相比于传统的刚性机器人，软体机器人因具有变形大、环境适应性强、人机交互性好等特点，近些年受到了国内外的广泛关注，但其能源供给问题一直是研究者们面临的一个巨大挑战。目前，软体机器人的主要驱动方式有两种：流体压力驱动和外界刺激响应驱动；典型的刺激响应驱动包括电刺激响应、磁刺激响应、化学刺激响应、热刺激响应、光刺激响应等；与其他刺激响应的驱动方式相比，电刺激响应驱动方式更直接、更精确、且更可控；介电弹性体是电刺激响应驱动方式中较为典型的材料，然而其对高电压（通常由相对笨重的高压电源提供）的需求，限制了其进一步的应用。

摩擦纳米发电机 (TENG) 由王中林院士于2012年发明，其基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，能够有效的从自然环境中收集机械能并将其转化为电能，其天然特性是高电压输出，具有驱动电刺激响应材料的能力，表明 TENG 有为软体机器人提供能源的巨大潜力。

2、成果简介

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队设计开发了一种由机械能驱动的仿生摩擦电软体机器人（triboelectric soft robot, TESR）。通过采用旋转独立层式摩擦纳米发电机（RF-TENG）将机械能转化为高压电，用于驱动由软伸长机体（soft-deformable body）和摩擦电脚（triboelectric adhesion feet, TAF)）组成的软体机器人。这项工作为软体机器人的能源问题提供了一种新的解决思路，对制造自驱动、无绳系的软体机器人有重要的指导意义。该成果以“Bioinspired triboelectric soft robot driven by mechanical energy” 为题近日发表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上。中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队博士研究生刘源、副研究员陈宝东、清华大学机械系博士后李伟为文章共同第一作者，王中林院士为通讯作者。

3、图文导读：

图1 摩擦电软体机器人（TESR）系统原理图及应用演示。

（a）由TESR、控制模块和旋转独立层式摩擦纳米发电机（RF-TENG）组成的TESR系统示意图。

(b) 软伸长机体的结构爆炸图。

(c) RF-TENG 的基本结构。

(d) 基于尺蠖运动原理的TESR爬行过程示意图。

(e) RF-TENG在一个循环中的工作原理。

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

图 2 RF-TENG驱动下软伸长机体的运行特性。

(a) TESR机体产生的位移和力的示意图。

(b) RF-TENG驱动TESR机体电路图。

(c) 无电阻或有电阻下TESR机体的位移-时间曲线。

(d-f) TESR机体在不同控制频率和不同RF-TENG转速下的电压（d）、位移（e）和力（f）的曲线。

图 3 由 RF-TENG驱动的TAF 特性。

(a)TAF在RF-TENG的驱动下产生切向力和法向力的示意图。

(b) TAF的爆炸图。

(c-h) TAF在不同材料表面的切向力和法向力：离型纸 I (c)、木材 (d)、砂纸 (e)、亚克力 (f)、铜 (g)、离型纸 II (h)。

图 4 软伸长机体的仿真结果。

(a) 由RF-TENG驱动的软伸长机体在垂直方向上的位移（仿真结果）。 

(b-e) 不同控制频率下软伸长机体产生力的仿真和实验数据对比：1 Hz (b)、2 Hz (c)、3 Hz (d)、4 Hz (e)。

(f-g) 不同控制频率下软伸长机体产生最大力（f），最大位移（g）仿真和实验数据对比。

图5 TESR在不同条件下的运动特性。

(a) TESR控制信号。

(b) TESR在不同材质基板表面蠕动速度随控制频率的变化。

(c) 和 (d) TESR在斜面（坡度30°）上和水平面上的爬行过程。

图 6 TESR探索水平隧道并通过携带微型摄像头传输隧道图像。

(a) 系统示意图。

(b) TESR爬行过程和微型摄像机实时记录的图像。

文献链接：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

本文由作者投稿。