微型水力致动器：有望成为最强大且高效的微型马达！
导读
目前，美国麻省理工学院的科研团队正在制造一种新型马达，也称为微型水力致动器。目前，在微尺度，这种致动器移动的精度、效率和功率，都是其他设备无法超越的。
背景
环顾四周，你会很容易发现一些依靠电动马达来维持运动的东西。这些马达不仅强大而且高效，使得世界上大部分的东西能维持运动，从电脑到冰箱，再到车内的自动窗。
电动马达动画（图片来源：维基百科）
可是，当这些马达的尺寸缩小至小于立方厘米时，这些特性将变差。美国麻省理工学院林肯实验室化学、微系统与纳米技术小组成员 Jakub Kedzierski 表示：“当尺寸变得非常小时，你得到的不是一个马达，而是一台加热器。”如今，没有一台微小尺寸的马达能做到既高效又强大。为了让微系统运动起来，我们需要微小尺寸的马达。这些微系统包括：能使激光跨越几千英里指向零点几度的微型常平架、可飞进残骸中寻找幸存者的微型无人机、甚至是可爬进人类消化道的机器人。
创新
为了给此类系统提供能量，美国麻省理工学院的 Kedzierski 及其团队目前正在制造一种新型马达，也称为微型水力致动器。目前，在微尺度，这种致动器移动的精度、效率和功率，都是其他设备无法超越的。一篇描述这项研究的论文发表在2018年9月份的《自然机器人学（Science Robotics）》期刊上。
技术
这种微型水力致动器采用一种称为“电润湿”的技术来实现移动。电润湿技术向固体表面上的水滴施加一个电压，使得液体表面张力产生变化。致动器利用这种变化，迫使致动器内部的水滴与整个致动器一起移动。
Kedzierski 表示：“想想玻璃窗上的一滴水，重力会使之变形，它会向下移动。这里，我们采用电压引起这种变形，从而产生移动。”
（图片来源：Glen Cooper）
致动器由两层构成。底层是一片金属，电极被压印到其中。这一层被一个电介质覆盖，当有电场施加时，绝缘体变成极化的。顶层是一片聚酰亚胺，一种强大的塑料制品，其中钻有浅槽。这些槽引导许多水滴的路径，这些是水滴位于两层之间，与电极对齐。为了延缓蒸发，水滴预先与氯化锂溶液混合，从而充分地降低了水的蒸汽压力，使得微米尺寸的水滴可以保持数月。由于水滴的表面张力和相对较小的尺寸，水滴保持它们的圆形（而不是在两层之间被压扁）。
（图片来源：Glen Cooper）
当有电压施加在电极上，致动器变得活跃起来，尽管并不是所有的致动器都立即变活跃。每一滴水一次打开两个电极。没有电压时，单个水滴会在两个电极（1和2）上中性地休息。但是，向电极2与电极3施加一个电压之后，水滴就突然会变形，拉伸去接触通电的电极3，并脱离电极1。
一个水滴中的这种水平力不足以移动致动器。但是，将这种电压循环施加到每个水滴之下的电极阵列上，整个聚酰亚胺层会滑动来满足水滴的吸引，让电极通电。不断地维持电压循环，水滴持续地走过电极，这一层继续滑动；关闭电压，致动器会停止在其轨道上。这样，电压就变成一个强大的工具，可精准地控制致动器的运动。
价值
然而，致动器是如何胜过其他类型的马达的呢？测量性能有两个指标是：功率密度，也就是马达功率与其重量之间的对应关系；效率，或者说是对浪费的能量的度量。基于效率与功率密度的考量，最佳的电动马达之一就是特斯拉 Model S 轿车的马达。当团队测验微型水力致动器时，他们发现其功率密度只落后 Model S 轿车的功率密度（每千克0.93千瓦）一点点，而效率输出（最大功率密度的条件下可达60%）。它们广泛地超越了压电致动器以及其他类型的微型致动器。
Kedzierski 表示：“我们感动振奋，因为我们正在靠近那个标杆。随着我们缩小到更小的尺寸，我们也在持续改善。”因为无论水滴的大小如何，表面张力都会保持一样，较小的水滴为容纳更多的水滴节省了空间，让它们可以挤进来，在致动器上发挥它们水平力的作用。所以尺寸越小，致动器将改善得更好。他补充道：“功率密度猛增。就像一根绳子，随着绳子变细，其强度不会变弱。”
最新的致动器，接近于Model S，水滴之间的间隔是48微米。团队正在将它缩小至30微米。他们预计，按照这种尺度，致动器将在15微米时将达到 Tesla Model S 的功率密度。
缩小致动器的尺寸只是方程的一部分。团队正在研究的其他方面是三维集成。目前，一个单独的致动器是一个两层系统，比一个塑料袋更薄，柔性与一层差不多。他们想要在脚手架一般的系统中堆叠致动器，该系统能在三维空间中移动。Kedzierski 憧憬着这种系统可以模拟我们人体的肌肉基质，这种组织网络使我们的肌肉可以完成瞬间、强大、灵活的运动。致动器比肌肉要强大十倍，在许多方面受到了肌肉的启发，从柔韧性与轻量，到由液体和固体成分组成。
无论是按照蚂蚁还是大象的尺寸，肌肉都是一种卓越的致动器，而这些微型水力致动器也一样，它不仅能在微观级别产生影响，宏观层面也一样。
组装和测试致动器的 Eric Holihan 表示：“我们可以现象，这项技术可以应用于外骨骼。” 这些外骨骼由致动器构成，像栩栩如生的肌肉一样工作，具有灵活柔韧的关节而不是齿轮。这项技术也可以应用于飞机机翼，可以根据电气命令产生形状变化，几千个致动器可以彼此滑动改变机翼的空气动力外形。正当想象力翻腾时，团队却要面临如何开发大型致动器系统的挑战。然而，在实验室正在同步开发可集成到致动器中的微型电池，帮助解决上述问题。另外一个挑战就是如何包装致动器，从而避免蒸发。
Holihan 表示：“信赖性和包装将继续成为我们所面对的主要技术问题，直到我们找到解决方案。这是我们未来数月将要解决的首要问题。”
关键字
马达、外骨骼、致动器、无人机、机器人
参考资料
【1】http://news.mit.edu/2018/using-electricity-and-water-new-motor-can-slide-microrobots-into-motion-1119
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