北卡罗来纳州立大学的研究人员提出了一种新的热致动器设计，可用于在软机器人设备中实现快速运动。“对于软机器人来说，使用热驱动并不是什么新鲜事，但软热驱动的最大挑战是它们相对较慢——而我们已经让它们变得很快，”该论文的通讯作者和AndrewA.Adams的YongZhu说北卡罗来纳州机械与航空航天工程特聘教授。
执行器是设备的一部分——例如软机器人——通过将能量转化为功来产生运动。
“使这种新的执行器设计工作的原因是一种双稳态设计的结构，”该论文的第一作者和博士学位的双武说。北卡罗来纳州立大学的学生。“想想一个快速的发夹。它是稳定的，直到你施加一定的能量(通过弯曲它)，然后它会咬合成不同的形状——这也是稳定的。”
在新的热致动器的情况下，材料是双稳态的，但材料更喜欢哪种形状取决于温度。
这是它的工作原理。研究人员将两种材料叠在一起，中间是银纳米线。这两种材料具有不同的热膨胀系数，这意味着它们在加热时以不同的速率膨胀。实际上，这意味着结构在加热时会弯曲。
然后将这种分层材料塑造成一种设计，使其在一个方向上具有默认曲率-假设它向下弯曲。当电压施加到银纳米线时，材料会升温，使其向另一个方向弯曲。一旦达到某个温度(临界温度)，材料就会迅速变成新的默认形状，并迅速弯曲。当电压被移除时，温度会回落。一旦冷却超过另一个临界温度，材料就会迅速恢复到其先前的默认形状，并迅速向下弯曲。注意两个临界温度不同;第一个更高。通过以规则模式向纳米线施加电流，您可以使材料来回弹跳。
为了演示该技术，研究人员创建了两个原型。其中一个原型模拟了捕蝇草的捕捉行为，而另一个原型是能够每秒移动超过一个身体长度的“爬行器”。
“潜在的应用范围从生物医学应用到假肢设备再到高端制造，”朱说。“任何您希望能够快速移动，但又希望避免使用刚性材料和传统机器人的应用。”
下一步包括开发传感器和控制机制，使驱动过程更完全自动化，使其比纯手动控制更有效地运行。
“我们也有兴趣探索其他可能的材料，以便我们可以微调热性能和机械性能，”朱说。“这可以让我们调整执行器的速度和力。”
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