研究人员开发出强大的新微观扭转肌肉

研究人员制作了一个强大的新微观脚岩肌肉

该示意图显示了基于VO2的Bimorph双线圈的微制造过程。

使用简单的设计和无机材料,伯克利实验室研究人员已经开发了一种由二氧化钒制成的微型机器人扭转肌,其尺寸比人类肌肉更强大的千倍。

二氧化钒准备加入材料世界的超级巨星万神殿。已经为其非凡改变规模,形状和物理身份的能力,二氧化钒现在可以为其属性增加肌肉力量。A team of researchers with the U.S. Department of Energy (DOE)’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) has demonstrated a micro-sized robotic torsional muscle/motor made from vanadium dioxide that for its size is a thousand times more powerful than a human muscle, able to catapult objects 50 times heavier than itself over a distance five times its length within 60 milliseconds – faster than the blink of an eye.

“We’ve created a micro-bimorph dual coil that functions as a powerful torsional muscle, driven thermally or electro-thermally by the phase transition of vanadium dioxide,” says the leader of this work, Junqiao Wu, a physicist who holds joint appointments with Berkeley Lab’s Materials Sciences Division and the University of California-Berkeley’s Department of Materials Science and Engineering. “Using a simple design and inorganic materials, we achieve superior performance in power density and speed over the motors and actuators now used in integrated micro-systems.”


这部电影显示了一种基于钒的微肌肌肉,首先在微型弹射模式下发挥作用,抛出物体,然后在微爆炸模式下,它感测到近似物体并通过推开物体反应。(伯克利实验室/ UC Berkeley的Junqiao Wu Group提供电影

吴是相应的作者一篇文章,描述了杂志的先进材料。本文标题为“强大,多功能扭转微肌,由相转变激活。”共同作者是Kai Liu,Chun Cheng,Joonki Suh,Robert Tang-Kong,Deyi Fu,Sangwook Lee,Jian Zhou和Leon Chua。

由电子行业高度垂涎的二氧化钒是什么,它是少数已知材料之一,这是低温下的绝缘体,但突然变成67度的导体科尔斯群岛。从绝缘体 - 金属的这种温度驱动的相变期预期为一天产生更快,更节能的电子和光学器件。然而,二氧化钒晶体也经历温度驱动的结构相转变,由此温热时,它们沿着一个尺寸快速收缩,同时沿着另外两个延伸。这使得二氧化钒是一种用于产生小型化,多功能电动机和人工肌肉的理想候选材料。

“小型化旋转电机对于综合微系统非常重要,并且在过去几十年中被密集地追求,”吴说。“与其多功能正常的微型肌肉的功率密度将其与所有电流宏观或微扭转致动器/电动机区分开来。”

吴和他的同事们在硅衬底上从由铬和钒氧化物组成的长“V形”双晶丝带上捏造了它们的微肌。当从基板中释放V形带时,它形成由双线圈组成的螺旋,该双线圈在铬电极焊盘端部连接。加热双线圈致动它,将其转换为微型弹射器,其中当线圈被致动时会缠绕在线圈中的物体,或者近距离传感器,其中对象的遥感(意味着而不触摸它) causes a “micro-explosion,” a rapid change in the micro-muscle’s resistance and shape that pushes the object away.

“多个微肌肉可以组装成微机器人系统,模拟活性神经肌肉系统,”吴说。“接近感测和扭转运动的自然组合的功能允许设备远程检测目标并通过重新配置到不同的形状来响应。这模拟了神经元感觉和对肌肉和肌肉提供刺激的生物,提供运动。“

二氧化钒微肌肉显示出可逆扭转运动,超过100万周期,没有降级。它们还展示了高达约200,000 rpm的转速,长度为500至2,000度,长度为大约39千瓦/千克的能量功率密度。

“这些指标均基于静电,磁性,碳纳米管或压电的现有扭转电机的级别高,”吴说。

通过微小的加热垫,可以通过微小的加热垫来致动它的加热二氧化物微肌,或者可以用微小的加热垫完成。吴说,电流加热是更好的方法,因为它允许选择性加热单个微肌,加热和冷却过程更快。另外,由于二氧化钒吸收光并将其覆盖成热量,因此线圈也可以光学触发。

“随着电力和多功能性的结合,我们的微型肌肉对需要在小空间中需要高级别的功能集成的应用的巨大潜力,”吴说。

这项工作得到了一项对待职业奖的DOE办事处加州大学,伯克利

出版物:Kai Liu等,“强大,多功能扭转微扫描,由阶段过渡激活,2013年,高级材料,2013年12月19日;DOI:10.1002 / ADMA.201304064

图片:劳伦斯伯克利国家实验室;Roy Kaltschmidt

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