基于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

卞長(zhǎng)生, 白萬(wàn)發(fā), 朱子才, 汝 杰, 陳花玲

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基于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

卞長(zhǎng)生, 白萬(wàn)發(fā), 朱子才, 汝 杰, 陳花玲

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安, 710049)

離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)是一種基于離子遷移運(yùn)動(dòng)的柔性智能材料。由于這種材料在低電壓作用下能夠產(chǎn)生彎曲變形, 適用于水下仿生機(jī)器魚(yú)的擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu), 因此基于IPMC的仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為了研究的一大熱點(diǎn)。文中分析了基于柔性智能材料仿生機(jī)器魚(yú)的研究現(xiàn)狀, 發(fā)現(xiàn)基于IPMC的仿生機(jī)器魚(yú)整體驅(qū)動(dòng)性能較差, 存在游動(dòng)速度慢、載荷能力低等缺點(diǎn)。這主要是由于材料自身輸出力小, 疊層結(jié)構(gòu)效率低等固有缺點(diǎn)造成的。因此, 為了提高仿生機(jī)器魚(yú)的整體性能, 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍, 文中以驅(qū)動(dòng)材料的整體性能匹配仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)需求, 從驅(qū)動(dòng)材料角度提出3種可用于仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)技術(shù): 基于醇輔助工藝的超厚型大驅(qū)動(dòng)力IPMC、基于脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)的IPMC快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及空間疊層結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。同時(shí)通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明這些技術(shù)可以有效提高IPMC驅(qū)動(dòng)材料的整體輸出力、響應(yīng)速度和空間疊層結(jié)構(gòu)的疊加效率, 為基于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)研究提供了參考。

仿生機(jī)器魚(yú); 離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料; 驅(qū)動(dòng)技術(shù); 快速響應(yīng); 空間疊層結(jié)構(gòu)

0 引言

隨著人類對(duì)海洋開(kāi)發(fā)利用的腳步加快, 水下環(huán)境和資源的科學(xué)探索技術(shù)正快速發(fā)展, 水下仿生機(jī)器魚(yú)已成為目前科學(xué)研究熱點(diǎn)之一。隨著仿生學(xué)、材料學(xué)和軟體機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展, 采用智能材料和結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)逐步成為發(fā)展趨勢(shì)[1-3](見(jiàn)圖1)。相對(duì)于傳統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú), 其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 動(dòng)作柔順, 推進(jìn)效率高, 低噪聲, 高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì), 因此這類機(jī)器魚(yú)在海洋資源探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物觀測(cè)、考古打撈和軍事搜索偵察等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和前景[4-5]。

圖1 仿生機(jī)器魚(yú)發(fā)展趨勢(shì)

由于離子型聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(ionic polymer-metal composites, IPMC)具有大的彎曲變形能力, 因此能夠直接模擬水下生物的連續(xù)大擺動(dòng)運(yùn)動(dòng); 其驅(qū)動(dòng)電壓低, 水下工作安全性高; 其能耗低, 適用于長(zhǎng)時(shí)間工作; 并且IPMC是一種水基驅(qū)動(dòng)器, 其驅(qū)動(dòng)性能不受水壓影響, 能直接用于水下環(huán)境?；谝陨弦蛩? IPMC材料在水下仿生機(jī)器魚(yú)的應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著而獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

基于IPMC驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)模式可以分為3類[3,6]: 身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式、中間鰭/對(duì)鰭(median and/or paired fin, MPF)推進(jìn)模式和噴射式推進(jìn)(jet propulsion)模式。由于BCF推進(jìn)機(jī)器魚(yú)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推進(jìn)效率高、速度快, 其研究最早也最為廣泛。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是由剛性魚(yú)體、IPMC驅(qū)動(dòng)尾部及被動(dòng)尾鰭3段構(gòu)成。早在2005年, 日本EAMEX公司就已經(jīng)推出一種觀賞型的機(jī)器魚(yú)產(chǎn)品。為了提高這種構(gòu)型機(jī)器人的性能或速度, 國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了廣泛的研究。密西根州立大學(xué)的Tan團(tuán)隊(duì)[7]和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Kim研究組[8], 日本香川大學(xué)的郭書(shū)祥研究組[9]和EAMEX公司, 國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)[10]、東北大學(xué)[11]和哈爾濱工程大學(xué)[12]相關(guān)課題組等。其中, 圖2(a)是Tan等[7]對(duì)尾鰭推進(jìn)構(gòu)型機(jī)器人進(jìn)行的研究結(jié)果, 其游動(dòng)速度可達(dá)20 mm/s; 圖(b)中McGovern等[13]采用2片分布式驅(qū)動(dòng), 最大速度可達(dá)33 mm/s; 一些學(xué)者還通過(guò)減小尺寸和質(zhì)量來(lái)減少阻力, 目的是提高機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)速度[14-16], 圖(c)中Shen等[14]報(bào)道了一種仿海豚機(jī)器魚(yú), 最大游速可達(dá)46 mm/s; 還有一些學(xué)者嘗試模擬鰻魚(yú)的游動(dòng)方式, 采用尾部和身體的整體擺動(dòng)形成波動(dòng)來(lái)提高游動(dòng)速度, 例如圖(d)中Takagi等[17]的研究能夠成功實(shí)現(xiàn)這一推進(jìn)原理, 但實(shí)驗(yàn)中這類機(jī)器魚(yú)游動(dòng)最大速度為10 mm/s, 其驅(qū)動(dòng)效率整體上要低于普通尾部推進(jìn)機(jī)器魚(yú)。

圖2 離子型聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(IPMC)驅(qū)動(dòng)的身體/尾鰭推進(jìn)型仿生機(jī)器魚(yú)

MPF推進(jìn)機(jī)器魚(yú)的結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)動(dòng)性能和姿態(tài)控制能力。一些學(xué)者采用尾部推進(jìn)與對(duì)鰭控制結(jié)合的方法驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)。對(duì)鰭推進(jìn)在一定程度上能夠提高游動(dòng)速度, 例如: 蘇玉東等[9]采用類似尾鰭驅(qū)動(dòng)的一對(duì)胸鰭輔助推進(jìn), 最大速度達(dá)23 mm/s; 其也能提高操控性能, 如圖3(a)所示, Hubbard等[18]提出的尾部與對(duì)鰭結(jié)合推進(jìn)的機(jī)器魚(yú)中, 每片對(duì)鰭采用了2片分布式IPMC, 施加不同電壓, 鰭面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形可以控制運(yùn)動(dòng)方向, 該機(jī)器魚(yú)速度可達(dá)28 mm/s。而另一些學(xué)者進(jìn)行了更大膽的嘗試, 通過(guò)對(duì)鰩魚(yú)的模擬, 利用對(duì)鰭波動(dòng)既可以推進(jìn)機(jī)器魚(yú), 又可以通過(guò)2只鰭的差異化驅(qū)動(dòng)控制其姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向。Punning[19]和Chen等[20]先后提出了采用分布式多片IPMC材料來(lái)驅(qū)動(dòng)仿鰩魚(yú)機(jī)器魚(yú), 如圖3(b)所示, 它們通過(guò)柔軟的彈性膜連接各個(gè)IPMC驅(qū)動(dòng)器形成控制面, 不同驅(qū)動(dòng)材料的彎曲變形間隔一定相位差, 從而在控制面上形成三維的波動(dòng)變形達(dá)到控制姿 態(tài)的目的, 但是這種機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)速度很慢, 最大速度為4.2 mm/s。Chen等[21]后來(lái)對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn), 采用連續(xù)的整體三角形對(duì)鰭, 如圖3(c)所示, 使速度提高到7.4 mm/s。Takagi等[22]通過(guò)進(jìn)一步放大機(jī)器魚(yú)的尺寸并利用多個(gè)IPMC驅(qū)動(dòng), 使機(jī)器魚(yú)最大速度達(dá)到16 mm/s, 如圖3(d)所示。這些研究案例均能大致模擬MPF推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)形狀, 然而, 分布式IPMC仿生魚(yú)鰭實(shí)質(zhì)上仍然為單片IPMC驅(qū)動(dòng), 單位面積驅(qū)動(dòng)力很小, 鰭面扭轉(zhuǎn)變形或者對(duì)鰭差異化驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩都很小, 姿態(tài)和方向操控性差, 因此, 現(xiàn)有研究距離發(fā)展快速游動(dòng)的MPF推進(jìn)機(jī)器魚(yú)的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。

圖3 IPMC驅(qū)動(dòng)的中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)型仿生機(jī)器魚(yú)

此外, Guo等[23]結(jié)合形狀記憶合金絲和IPMC的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一種仿水母水下機(jī)器魚(yú), 其沉浮速度達(dá)6 mm/s; Yeom等[24]基于IPMC也開(kāi)發(fā)了一種仿水母機(jī)器魚(yú), 研究了驅(qū)動(dòng)器初始形狀和驅(qū)動(dòng)器之間的連接材料對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響, 其沉浮速度最大為2 mm/s; Guo等[25]還研究了仿螃蟹混合爬行和游動(dòng)功能的水下機(jī)器魚(yú), 其行走速度最大為8 mm/s。

基于IPMC材料驅(qū)動(dòng)的柔性仿生機(jī)器魚(yú)已經(jīng)有不少研究, 但總的來(lái)說(shuō), 其游動(dòng)速度較慢, 每秒一般不超過(guò)0.5個(gè)體長(zhǎng)[26]。這與自然界魚(yú)類的性能具有很大差距, 從而很大程度上限制了其在相關(guān)工程和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。這主要是因?yàn)轵?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)整體的輸出力較小, 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不夠理想。

1 IPMC概述

IPMC是一種基于離子遷移運(yùn)動(dòng)的電致動(dòng)聚合物(electroactive polymer, EAP)[27-29]。如圖4所示, IPMC是一種由導(dǎo)電金屬電極、聚合物基體膜(常為Nafion膜或Flemion膜)、可移動(dòng)陽(yáng)離子和溶劑分子4種組分構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)給IPMC施加電壓(通常為1~5 V)時(shí), 其基體膜內(nèi)的可移動(dòng)陽(yáng)離子會(huì)帶著溶劑分子向材料的陰極遷移, 這使得水合陽(yáng)離子沿材料厚度方向產(chǎn)生不均勻分布。在水合陽(yáng)離子對(duì)基體膜的溶脹支撐作用下, 其不均勻分布會(huì)導(dǎo)致IPMC材料在陰極區(qū)域發(fā)生膨脹、陽(yáng)極發(fā)生收縮, 進(jìn)而使IPMC材料產(chǎn)生宏觀的彎曲變形[26]。

圖4 IPMC的組成結(jié)構(gòu)和典型樣品在不同電壓下的彎曲變形效果

與傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)相比, IPMC在電壓作用下能直接產(chǎn)生彎曲變形, 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、無(wú)噪聲。與其他EAP材料相比, 其具有彎曲變形大、響應(yīng)迅速、柔性好、驅(qū)動(dòng)電壓低等特點(diǎn), 因此, 其被認(rèn)為是一種具有廣泛前景的新型電活性材料[30]。不同智能材料特性如表1所示。

表1 不同智能材料特性

但傳統(tǒng)單層IPMC仍然存在輸出力不足, 響應(yīng)速度慢, 彎曲驅(qū)動(dòng)器的多層疊加結(jié)構(gòu)效率低下等問(wèn)題, 這都限制了IPMC的應(yīng)用潛力。目前, 學(xué)者對(duì)IPMC的研究主要通過(guò)優(yōu)化制備工藝參數(shù), 改變影響驅(qū)動(dòng)效果的因素以及設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面來(lái)改善IPMC整體的驅(qū)動(dòng)性能, 從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍[31]。

2 應(yīng)用于仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)的IPMC技術(shù)

為了改善現(xiàn)有基于IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)游速較慢的問(wèn)題, 針對(duì)材料輸出力不足以及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不理想等問(wèn)題提出以下可應(yīng)用于仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)的IPMC技術(shù), 即: 提高輸出力的醇輔助工藝超厚型IPMC; 提高超厚型IPMC響應(yīng)速度的脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及優(yōu)化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的空間疊層IPMC驅(qū)動(dòng)器。

2.1 基于醇輔助工藝的超厚型IPMC

傳統(tǒng)IPMC一般采用0.2 mm厚的Nafion膜為基體膜。其基本工藝包括材料預(yù)處理(粗化基體膜表面以提高界面面積, 增加電極與基體膜的結(jié)合性能)、浸泡還原鍍(初步生成金屬表面電極和滲入電極)和化學(xué)鍍(進(jìn)一步降低電極表面電阻)和材料后處理(置換驅(qū)動(dòng)離子)4個(gè)過(guò)程。采用傳統(tǒng)基體膜和傳統(tǒng)工藝的IPMC較薄, 其剛性較小, 雖然其具有較大的彎曲變形能力(大于±180o)但其輸出力不足。對(duì)于仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言, 其不需要過(guò)大的彎曲變形能力。而更大的驅(qū)動(dòng)力能夠有效地提高機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)速度。因此, 提出采用國(guó)產(chǎn)東岳公司1 mm厚離子交換膜和醇輔助工藝改進(jìn)的超厚型IPMC。

1) 作用原理

相比于傳統(tǒng)的Nafion膜, 東岳公司生產(chǎn)的厚度為1 mm離子交換膜具有更大的厚度, 從而具有更大的彎曲剛度?；诖四ぶ苽涑鰜?lái)的IPMC具有更大的輸出力。滲入電極對(duì)材料性能具有較大的影響, 其滲入層越深, IPMC的驅(qū)動(dòng)效果越好。異丙醇對(duì)離子交換膜的高分子鏈具有溶脹作用, 以異丙醇作為輔助試劑可以使離子交換膜在浸泡還原鍍過(guò)程中能夠形成更深的滲入電極。從而可以有效地改善超厚型IPMC材料彎曲能力下降的問(wèn)題。最終得到大驅(qū)動(dòng)力和不錯(cuò)彎曲變形能力的IPMC材料。

2) 實(shí)驗(yàn)效果

將采用醇輔助工藝制備的超厚型IPMC切割為7 mm寬的樣片, 并采用圖5所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)材料的彎曲變形和輸出力進(jìn)行測(cè)試。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和彎曲變形、輸出力測(cè)試示意圖

彎曲變形測(cè)試樣片的長(zhǎng)寬厚尺寸為50 mm×7 mm×1 mm, 夾持長(zhǎng)度為5 mm, 彎曲變形測(cè)點(diǎn)距夾持端20 mm, 如圖5(a)所示。測(cè)試電壓為4 V, 頻率為0.1 Hz, 其彎曲變形隨時(shí)間的響應(yīng)如圖6所示。可以看出, 加載電壓后, IPMC隨著交流驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生往復(fù)彎曲變形, 其最大彎曲變形可達(dá)9.5 mm, 其彎曲角度超過(guò)±30o。相對(duì)于傳統(tǒng)IPMC, 其彎曲變形有所減小, 這主要是由于材料增厚, 驅(qū)動(dòng)材料彎曲所需的應(yīng)變?cè)龃髮?dǎo)致。但對(duì)于水下仿生機(jī)器魚(yú)的擺動(dòng)推進(jìn)方式, 這種變形能力已經(jīng)足夠。

圖6 4V電壓下彎曲變形隨時(shí)間變化曲線

輸出力測(cè)試樣片的長(zhǎng)寬厚尺寸為50 mm× 7 mm×1 mm, 夾持長(zhǎng)度為5 mm, 驅(qū)動(dòng)力測(cè)點(diǎn)為20 mm, 如圖5(b)所示。測(cè)試電壓為4 V, 測(cè)試時(shí)間65 s, 實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)樣品(s1~s3)。其驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖7所示?？梢钥吹? 加載電壓后, IPMC的驅(qū)動(dòng)力隨著時(shí)間一開(kāi)始迅速增長(zhǎng), 隨后逐漸達(dá)到最大值。經(jīng)多次測(cè)試, 其驅(qū)動(dòng)力最可達(dá)14.9 gf左右。相對(duì)于傳統(tǒng)IPMC, 其驅(qū)動(dòng)力的提升達(dá)到2個(gè)量級(jí)。這對(duì)于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)是至關(guān)重要的。

圖7 4V電壓下驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化曲線

從結(jié)果來(lái)看, 基于醇輔助工藝制備的1 mm超厚型IPMC能夠極大地提高輸出力, 且其彎曲變形能力與仿生機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)需求能夠較好地匹配, 相較于傳統(tǒng)IPMC表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 基于脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)的IPMC快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

超厚型IPMC具有大的輸出力與良好的彎曲變形能力, 但隨著材料厚度的增加, 材料內(nèi)部驅(qū)動(dòng)離子的運(yùn)動(dòng)距離增長(zhǎng), 其機(jī)-電響應(yīng)速度明顯降低。而對(duì)于仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)而言, 除了需要一定的彎曲變形能力與良好輸出力外, 也需要快速響應(yīng)能力。因此, 為了提高超厚型IPMC的響應(yīng)速度, 可以采用脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

1) 理論原理

高驅(qū)動(dòng)電壓能夠提高驅(qū)動(dòng)離子的遷移速度, 從而提高超厚型IPMC的響應(yīng)速度, 但驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高會(huì)使離子交換膜內(nèi)的水發(fā)生電解, 進(jìn)而使材料發(fā)生電解失效。傳統(tǒng)理論認(rèn)為, 在不發(fā)生電解的最高安全電壓下, IPMC具有最大的響應(yīng)速度。然而, 通過(guò)研究IPMC的電壓分布規(guī)律和水的電解規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn): 首先, 水的電解主要發(fā)生在電極-聚合物界面上, 它包含陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)2個(gè)“半反應(yīng)”。在一定電壓下, 電子可以在電極和聚合物中的離子之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。當(dāng)界面電壓降高于其中1個(gè)“半反應(yīng)”的臨界電壓時(shí), 則界面處將發(fā)生電解反應(yīng)。其次, 根據(jù)離子型電制動(dòng)聚合物材料(ionic EAP, iEAP)典型的多物理模型, 當(dāng)給IPMC施加某一電壓時(shí), 電勢(shì)在材料厚度方向的分布將隨著時(shí)間發(fā)生如圖8所示的變化。即開(kāi)始加載電壓時(shí)(=0 s), 分布電勢(shì)與厚度成線性關(guān)系。隨著時(shí)間增長(zhǎng), 可移動(dòng)的陽(yáng)離子在初始電壓作用下向陰極遷移, 同時(shí)陽(yáng)離子的再分布會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電場(chǎng)并改變?cè)械碾妱?shì)曲線。這個(gè)過(guò)程會(huì)使電極和聚合物界面處的電勢(shì)降變大并趨于穩(wěn)定。

圖8 陽(yáng)離子隨時(shí)間向陰極遷移以及電壓分布過(guò)程

根據(jù)以上兩點(diǎn), 當(dāng)施加高電壓時(shí), 陽(yáng)離子在外加電壓下發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng), IPMC電極與聚合物界面處的電勢(shì)降會(huì)隨著陽(yáng)離子的遷移而逐漸變大, 當(dāng)分布后的電勢(shì)降大于水的電解電勢(shì)時(shí), 材料才會(huì)發(fā)生電解破壞。由此可以得出結(jié)論: 電解電勢(shì)降的形成需要時(shí)間, 水的電解不會(huì)在加載電壓時(shí)立即發(fā)生。據(jù)此理論, 提出利用脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)提高超厚型IPMC的響應(yīng)速度, 即, 利用高電壓對(duì)超厚型IPMC進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 在界面電勢(shì)降的積累超過(guò)電解電勢(shì)之前(即水解發(fā)生之前)將驅(qū)動(dòng)電壓降低到安全范圍內(nèi), 這樣既可以有效提高其響應(yīng)速度, 又可以防止材料發(fā)生電解破壞。

2) 實(shí)驗(yàn)效果

將采用醇輔助工藝制備的超厚型IPMC切割為25 mm×5 mm×1 mm的樣片, 并采用圖5所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)響應(yīng)速度進(jìn)行測(cè)試, 其夾持長(zhǎng)度為5 mm, 彎曲變形測(cè)點(diǎn)距夾持端15 mm。

首先測(cè)定了樣品在1.5 V下的彎曲變形, 并以1.5 V下超厚型IPMC的穩(wěn)定變形作為參考, 依次采用2.0 V和4.0 V的高電壓對(duì)樣片進(jìn)行激勵(lì), 當(dāng)樣片的彎曲變形到達(dá)1.5 V下的穩(wěn)定彎曲變形時(shí), 則將激勵(lì)電壓降為1.5 V, 使其保持穩(wěn)定的彎曲變形狀態(tài)。每次測(cè)試的時(shí)間為75 s。由于環(huán)境溫度和濕度對(duì)材料的彎曲變形影響較大。每次測(cè)試間隔20 min, 以使測(cè)試樣片回復(fù)至初始位置, 并且和環(huán)境充分進(jìn)行濕度和溫度交換。其結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同脈沖高電壓激勵(lì)下IPMC的彎曲變形

從圖中可以看到, 在1.5 V直流電壓作用下, 樣片的變形速度較為緩慢, 其在約75 s的時(shí)候達(dá)到約0.4 mm的穩(wěn)定彎曲變形狀態(tài)。而當(dāng)施加脈沖電壓時(shí), 其彎曲變形非常迅速地達(dá)到0.4 mm, 隨著電壓降低為1.5 V, 樣片的彎曲變形能夠保持穩(wěn)定。當(dāng)加載2.0 V脈沖高電壓時(shí), 其到達(dá)穩(wěn)定彎曲變形的時(shí)間大約為5.5 s, 響應(yīng)速度大約為初始的13.6倍; 當(dāng)加載4.0 V脈沖電壓時(shí), 其達(dá)到穩(wěn)定彎曲變形的時(shí)間只要約0.8 s, 響應(yīng)速度為初始的93.8倍。

為了驗(yàn)證脈沖高電壓激勵(lì)方式的安全性, 進(jìn)行了破壞性測(cè)試。測(cè)試中, 每秒給樣片施加一次0.1 s的6 V高電壓, 一共持續(xù)1 000 s(即加高壓時(shí)間100 s)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn), 在脈沖高電壓激勵(lì)下, 材料沒(méi)有出現(xiàn)明顯的電解現(xiàn)象。而當(dāng)直接施加直流6 V高電壓時(shí), 材料會(huì)出現(xiàn)明顯的電解反應(yīng), 其電極40 s內(nèi)就會(huì)發(fā)生破壞。這進(jìn)一步證明了脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)理論的正確性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效地提高超厚型IPMC的響應(yīng)速度, 并且可以有效避免材料因驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高而發(fā)生電解破壞。這對(duì)于提高基于超厚型IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)的性能具有非常重要的意義。

2.3 基于空間疊層IPMC驅(qū)動(dòng)器的魚(yú)尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前, 對(duì)基于IPMC驅(qū)動(dòng)的BCF推進(jìn)結(jié)構(gòu)仿生機(jī)器魚(yú)而言, 其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)均采用單片IPMC驅(qū)動(dòng)。由于單片材料驅(qū)動(dòng)力有限, 為提高仿生機(jī)器魚(yú)的性能, 可以采用空間疊層的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)將多片材料有效疊加起來(lái)以增加機(jī)器魚(yú)的推進(jìn)力。

1) 結(jié)構(gòu)原理

如圖10(a)所示, 一般的IPMC疊層結(jié)構(gòu)主要采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)。對(duì)于串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu), 驅(qū)動(dòng)器在彎曲時(shí), IPMC單元之間必然存在切向約束,從而影響其彎曲變形。從現(xiàn)有文獻(xiàn)[32-34]來(lái)看, 隨著疊加層數(shù)的增加, 其疊加效率越低, 一般不超過(guò)60%。如圖10(b)所示, 空間疊層機(jī)構(gòu)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式將多片IPMC在空間布置起來(lái), 這樣利用其彎曲變形的特點(diǎn)可以將輸出力有效的疊加起來(lái), 同時(shí)也可以避免材料之間的切向約束, 提高疊層結(jié)構(gòu)的整體效率。

圖10 傳統(tǒng)疊層結(jié)構(gòu)和空間疊層結(jié)構(gòu)

2) 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)對(duì)3層40 mm×5 mm×0.2 mm的IPMC空間疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步驗(yàn)證, 如圖11所示。在彎曲變形測(cè)試中, 其驅(qū)動(dòng)電壓為3 V, 頻率0.02 Hz, 測(cè)點(diǎn)距夾持端20 mm(見(jiàn)圖5(a))。在輸出力測(cè)試中, 測(cè)試電壓為3 V直流電壓, 測(cè)點(diǎn)距夾持端30 mm(見(jiàn)圖5 (b))。其彎曲變形的峰峰值和最大輸出力的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖11 3層IPMC空間疊層結(jié)構(gòu)

表2 單層IPMC與空間疊層IPMC的彎曲變形峰峰值、最大輸出力及疊加效率對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看, 其輸出力和彎曲變形的疊加效率可以達(dá)到80%以上, 初步證明了空間疊層結(jié)構(gòu)的有效性。

空間疊層結(jié)構(gòu)能夠高效疊加多層IPMC的輸出力和彎曲變形。相對(duì)于目前單片IPMC驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)而言, 將賦予機(jī)器魚(yú)更好的整體性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中總結(jié)了現(xiàn)有基于IPMC驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)結(jié)構(gòu), 分析了其驅(qū)動(dòng)形式及其優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)力小, 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等問(wèn)題, 提出基于醇輔助工藝的超厚型IPMC、基于脈沖高電壓驅(qū)動(dòng)的IPMC快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及基于空間疊層IPMC驅(qū)動(dòng)器的魚(yú)尾結(jié)構(gòu)。這樣通過(guò)提高材料的輸出力、響應(yīng)速度和疊加效率的方式, 能夠有效提高機(jī)器魚(yú)整體的驅(qū)動(dòng)性能。文中僅對(duì)這3種技術(shù)做出簡(jiǎn)要介紹, 仍有待進(jìn)一步深入研究。比如, 醇輔助工藝中異丙醇含量、添加方式與性能的關(guān)系; 對(duì)于快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)技術(shù), 文中采用的是電壓脈沖的方式, 但由于IPMC是基于離子遷移運(yùn)動(dòng)的材料, 因此可以對(duì)脈沖遷移的電流進(jìn)行進(jìn)一步的研究并加以控制; 而對(duì)于空間疊層結(jié)構(gòu), 多片超厚型材料的疊加結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步的研究; 而后續(xù)研究也需要將這3種技術(shù)在仿生機(jī)器魚(yú)中有機(jī)的集成起來(lái), 使仿生機(jī)器魚(yú)具有更快的游動(dòng)速度和負(fù)載能力。

[1] 王國(guó)彪, 陳殿生, 陳科位, 等. 仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(13): 27-44.

Wang Guo-biao, Chen Dian-sheng, Chen Ke-wei, et al. The Current Research Status and Development Strategy on Biomimetic Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13): 27-44.

[2] Park S J, Gazzola M, Park K, et al. Phototactic Guidance of a Tissue-engineered Soft-robotic Ray[J]. Science, 2016, 353(6295): 158-162.

[3] Chu W, Lee K, Song S, et al. Review of Biomimetic Underwater Robots Using Smart Actuators[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2012, 13(7): 1281-1292.

[4] 王揚(yáng)威, 于凱, 閆勇程. BCF 推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 微特電機(jī), 2016, 44(1): 75-80.

Wang Yang-wei, Yu kai, Yan Yong-cheng. Research Status and Development Trend of Bionic Robot Fish with BCF Propulsion Model[J]. Small & Special Electrical Machines, 2016, 44(1): 75-80.

[5] Paquette J, Kim K. Ionomeric Electroactive Polymer Artificial Muscle for Naval Applications[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(3): 729-737.

[6] 王安憶, 劉貴杰, 王新寶, 等. 身體/尾鰭推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚(yú)研究的進(jìn)展與分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2016, 52(17): 137-146.

Wang An-yi, Liu Gui-jie, Wang Xin-bao, et al. Development and Analysis of Body and/or Caudal Fin Biomimetic Robot Fish[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(17): 137-146.

[7] Chen Z, Shatara S, Tan X. Modeling of Biomimetic Robotic Fish Propelled by An Ionic Polymer-Metal Composite Caudal Fin[J]. IEEE/ASME Transations on Mechatronics, 2010, 15(3): 448-459.

[8] Palmre V, Hubbard J J, Fleming M, et al. An IPMC-enabled Bioinspired Bending/twisting Fin for Underwater Applications[J]. Smart Materials & Structures, 2016, 22(1): 014003.

[9] 蘇玉東, 葉秀芬, 郭書(shū)祥. 基于IPMC 驅(qū)動(dòng)的自主微型機(jī)器魚(yú)[J]. 機(jī)器人, 2010, 32(2): 262-270.

Su Yu-dong, Ye Xiu-fen, Guo Shu-xiang. An Autonomous Micro Robot Fish Based on IPMC Actuator[J]. Robot, 2010, 32(2): 262-270.

[10] 沈奇, 韓晨皓, 王田苗, 等. 基于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)推進(jìn)效率實(shí)驗(yàn)研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 40(12): 1730-1735.

Shen Qi, Han Chen-hao, Wang Tian-miao, et al. Experimental Investigation of Biomimetic Robotic Fish Actuated by IPMC[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(12): 1730-1735.

[11] 郝麗娜, 徐夙, 劉斌. 基于IPMC驅(qū)動(dòng)器的小型遙控機(jī)器魚(yú)的研制[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 30(6): 773-776.

Hao Li-na, Xu Su, Liu Bin. A Miniature Fish-like Robot with Infrared Remote Receiver and IPMC Actuator[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2009, 30(6): 773-776.

[12] 葉秀芬, 朱玲, 劉世超, 等. 基于PVDF傳感器的仿生機(jī)器魚(yú)測(cè)控系統(tǒng)[J]. 高技術(shù)通訊, 2010, 20(8): 850-855.

Ye Xiu-fen, Zhu Ling, Liu Shi-chao, et al. A PVDF Sensor-based System for Measurement and Control of Bionic Robot Fish[J]. Chinese High Technology Letters, 2010, 20(8): 850-855.

[13] McGovern S T, Spinks G M, Xi B, et al. Fast Bender Actuators for Fish-like Aquatic Robots[C]//Electroactive Polymer Actuators and Devices. [s.l.]: SPIE Proceedings 2008, 69271L.

[14] Shen Q, Wang T, Liang J, et al．Hydrodynamic Performance of a Biomimetic Robotic Swimmer Actuated by ionic Polymer-metal Composite[J]. Smart Materials and Structures, 2013, 22(7): 1-13.

[15] Kim B, Kim D, Jung J, et al. A Biomimetic Undulatory Tadpole Robot Using Ionic Polymer-metal Composite Actuators[J]. Smart Materials and Structures, 2005, 14(6): 1579-1585.

[16] Ye X F, Su Y D, Guo S X. A Centimeter-Scale Autonomous Robotic Fish Actuated by IPMC Actuator[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Sanya, China: IEEE, 2007: 262-267.

[17] Takagi K, Nakabo Y, Luo Z W, et al. An Analysis of Increase of Bending Response in IPMC Dynamics Given Uniform Input[J]//Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD). Proceedings of SPIE, 2006, 6168: 616814.

[18] Hubbard J, Fleming M, Palmre V, et al. Monolithic IPMC Fins for Propulsion and Maneuvering in Bioinspired Underwater Robotics[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2014, 39(3): 540-551.

[19] Kruusmaa M, Hunt A, Punning A, et al. A Linked Manipulator with Ion-polymer Metal Composite(IPMC) Joints for Soft and Micromanipulation[C]//IEEE International Conference on Robotics & Automation. Pasadena, USA: IEEE, 2008.

[20] Chen Z, Um T, Bart-Smith H. A Novel Fabrication of Ionic Polymer-metal Composite Membrane Actuator Capable of 3-dimensional Kinematic Motions[J]. Sensors and Actuators A, 2011, 168(1): 131-139.

[21] Chen Z, Um T, Bart-Smith H. Chapter 10: Ionic Polymer-Metal Composite Artificial Muscles in Bio-Inspired Engineering Research: Underwater Propulsion[M]//Smart Actuation and Sensing Systems——Recent Advances and Future Challenges. [s.l.]: Web of Science, 2012: 223-248.

[22] Takagi K, Yamamura M, Luo Z W, et al. Development of a Rajiform Swimming Robot Using Ionic Polymer Artificial Muscles[C]//2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Beijing, China: IEEE, 2006.

[23] Guo S, Li M, Shi L, et al. Development of a Novel Underwater Biomimetic Microrobot with Two Motion Attitudes[C]//ICME International Conference on Complex Medical Engineering. Kobe, Japan: IEEE, 2012.

[24] Yeom S W, Oh I K. Fabrication and Evaluation of Biomimetic Jellyfish Robot Using IPMC[J]. Advances in Science and Technology, 2008, 58: 171-176.

[25] Guo S, Wan F, Wei W, et al. An Underwater Microrobot with Six Legs Using ICPF Actuators[C]//ICME International Conference on Complex Medical Engineering. Beijing, China: IEEE, 2013.

[26] 崔祚, 姜洪洲, 何景峰, 等. BCF 仿生魚(yú)游動(dòng)機(jī)理的研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015, 51(16): 177-195.

Cui Zuo, Jiang Hong-zhou, He Jing-feng, et al. Research Development and Key Techniques of BCF Robotic Fish in Locomotion Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(16): 177-195.

[27] 陳花玲, 朱子才, 常龍飛, 等. 離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料變形機(jī)理及其基本特性[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2016.

[28] Asaka K, Mukai K, Sugino T, et al. Lonic Electroactive Polymer Actuators Based on Nano-carbon Electrodes[J]. Polymer International, 2013, 62(9): 1263-1270.

[29] Chang L, Chen H, Zhu Z, et al. Manufacturing Process and Electrode Properties of Palladium-electroded Ionic Polymer-metal Composite[J]. Smart Materials & Structures, 2012, 21(6): 502-510.

[30] Ru J, Wang Y, Chang L, et al. Preparation and Characterization of Water-soluble Carbon Nanotube Reinforced Nafion Membranes and So-based Ionic Polymer Metal Composite Actuators[J]. Smart Materials & Structures, 2016, 25(9): 095006.

[31] Bian C, Ru J, Zhu Z, et al. A Three-electrode Structured Ionic Polymer Carbon-composite Actuator with Improved Electromechanical Performance[J]. Smart Materials & Structures, 2018, 27(11): 085017.

[32] 于敏, 何青松, 湯伊黎, 等. 多片疊加工藝提高IPMC力輸出性能研究[J]. 化學(xué)工程師, 2012, 26(12): 1-4.

Yu Min, He Qing-song, Tang Yi-li, et al. Enhancement of Force Performance of IPMC Actuators with Multi-layers[J]. Chemical Engineer, 2012, 26(12): 1-4.

[33] Leo D J, Akle B. Electromechanical Transduction in Multilayer Ionic Transducers[J]. Smart Materials & Structures, 2004, 13(5): 1081.

[34] 郝麗娜, 高建超, 孫智涌. IPMC并聯(lián)驅(qū)動(dòng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 33(11): 1620-1623.

Hao Li-na, Gao Jian-chao, Sun Zhi-yong. Simulation and Experimental Research on Parallel IPMC[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2012, 33(11): 1620-1623.

Research on Actuating Technology of IPMC-Based Biomimetic Robotic Fish

BIAN Chang-sheng, BAI Wan-fa, ZHU Zi-Cai, RU Jie, CHEN Hua-ling

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An ionic polymer-metal composite(IPMC) is suitable for the swing actuating structure of a biomimetic robotic fish because it is able to produce bending deformation under low voltage. In this paper, the research status of a biomimetic robotic fish based on soft smart materials is analyzed. It shows that actuating performance of the IPMC-based biomimetic robotic fish is unsatisfactory, such as slow speed and low load capacity, which are due to poor output force and low efficiency of the stacking structure. In order to improve the performance of the biomimetic robotic fish and widen its application, this paper matches overall performance of IPMC with the actuating demand of the biomimetic robotic fish. From the perspective of the materials, three actuating technologies for the biomimetic robotic fish are proposed as follows: the ultra-thick and large actuating force IPMC based on alcohol-assisted process; the fast response technology of IPMC based on impulsive voltage; and the spatial stacking structure actuating technology. Contrast experiments prove that these technologies can effectively improve the overall output force, the response speed, and the spatial stacking structure of stacking efficiency for IPMC actuating material. This study may provide a reference for the actuating structure design of the biomimetic robotic fish.

biomimetic robotic fish; ionic polymer-metal composite(IPMC); actuating technology; fast response; spatial stacking structure

TP242; TB381

A

2096-3920(2019)02-0149-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.005

卞長(zhǎng)生, 白萬(wàn)發(fā), 朱子才, 等. 基于IPMC仿生機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 149-156.

2018-10-12;

2019-01-20.

卞長(zhǎng)生(1990-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)橹悄懿牧虾吐毮芙Y(jié)構(gòu).

(責(zé)任編輯: 許 妍)