環(huán)顧四周，你可能會看到電動機(jī)上的東西。它們功能強(qiáng)大，效率高，可以保持我們世界的大部分運動，從我們的計算機(jī)到冰箱，再到我們汽車的自動窗戶。但是當(dāng)這種電動機(jī)縮小到小于一立方厘米的尺寸時，這些品質(zhì)會變得更糟。

麻省理工學(xué)院林肯實驗室的化學(xué)，微系統(tǒng)和納米技術(shù)集團(tuán)的工作人員Jakub Kedzierski說：“在非常小的尺度上，你得到的是加熱器而不是電機(jī)。” 今天，在微型計算機(jī)上不存在既高效又強(qiáng)大的電機(jī)。這是一個問題，因為需要這種規(guī)模的電動機(jī)才能使小型化系統(tǒng)運轉(zhuǎn) - 微型可以將激光器指向數(shù)千英里的一小部分，微型無人機(jī)可以擠入殘骸中尋找幸存者，甚至是機(jī)器人可以爬過人體消化道。

為了幫助像這樣的電力系統(tǒng)，Kedzierski和他的團(tuán)隊正在制造一種稱為微液壓執(zhí)行器的新型電動機(jī)。執(zhí)行器的移動精度，效率和功率水平在微觀尺度上是不可能實現(xiàn)的。描述這項工作的論文發(fā)表在2018年9月的“ 科學(xué)機(jī)器人”雜志上。

微液壓執(zhí)行器使用稱為電潤濕的技術(shù)來實現(xiàn)運動。電潤濕將電壓施加到固體表面上的水滴以扭曲液體的表面張力。致動器利用這種扭曲來迫使致動器內(nèi)的水滴移動，并與它們一起移動整個致動器。

“想想窗戶上的一滴水; 重力使它扭曲，它向下移動，“Kedzierski說。“在這里，我們使用電壓來引起失真，從而產(chǎn)生運動。”

致動器構(gòu)造成兩層。底層是一塊金屬片，上面刻有電極。該層覆蓋有電介質(zhì)，絕緣體在施加電場時變得極化。頂層是一片聚酰亞胺，一種堅固的塑料，在其中鉆有淺通道。通道引導(dǎo)在兩層之間施加的數(shù)十個水滴的路徑并與電極對齊。為了阻止蒸發(fā)，將水與氯化鋰溶液預(yù)混合，氯化鋰溶液壓縮水的蒸氣壓足以使微米級液滴持續(xù)數(shù)月。由于它們的表面張力和相對小的尺寸，液滴保持其圓形形狀(而不是在層之間壓扁)。

當(dāng)電壓施加電壓時，致動器會起作用，但不會立即對所有電極施加電壓。它是在每次打開每個液滴兩個電極的循環(huán)中完成的。在沒有電壓的情況下，單個水滴中性地放置在兩個電極1和2上。但是向電極2和3施加電壓，并且突然液滴變形，拉伸以接觸通電電極3并拉出電極1。

一個液滴中的水平力不足以移動致動器。但是，當(dāng)該電壓周期與陣列中每個液滴下方的電極一致地施加時，整個聚酰亞胺層滑過以平衡液滴對通電電極的吸引力。繼續(xù)循環(huán)通過電壓，液滴繼續(xù)在電極上行走，層繼續(xù)滑過; 關(guān)閉電壓，執(zhí)行器停在其軌道上。然后，電壓成為精確控制執(zhí)行器運動的強(qiáng)大工具。

但是執(zhí)行器如何抵抗其他類型的電機(jī)?衡量性能的兩個指標(biāo)是功率密度，或電機(jī)相對于其重量產(chǎn)生的功率，效率或浪費能量的量度。在效率和功率密度方面最好的電動馬達(dá)之一是特斯拉Model S轎車的馬達(dá)。當(dāng)團(tuán)隊測試微液壓執(zhí)行器時，他們發(fā)現(xiàn)它們僅落后于Model S的功率密度(0.93千瓦/千克)和效率輸出(在最大功率密度下效率為60%)。它們廣泛地超過了壓電致動器和其他類型的微致動器。

“我們很興奮，因為我們正在達(dá)到這個基準(zhǔn)，而且隨著我們擴(kuò)大到更小的尺寸，我們?nèi)栽诟倪M(jìn)，”Kedzierski說。由于不管水滴大小如何，表面張力保持不變，因此致動器的尺寸更小 - 而較小的液滴可以為更多的液滴擠壓并在執(zhí)行器上施加水平力。“功率密度剛剛上升。這就像擁有一根繩子，它的強(qiáng)度不會因為變薄而減弱，“他補(bǔ)充道。

最新的執(zhí)行器，靠近Model S的一個邊緣，在液滴之間有48微米的間隔。該團(tuán)隊現(xiàn)在縮小到30微米。他們預(yù)測，在這種規(guī)模下，執(zhí)行器將與特斯拉Model S的功率密度相匹配，并且在15微米處對其進(jìn)行遮擋。

將執(zhí)行器縮小只是等式的一部分。團(tuán)隊正在積極研究的另一個方面是3D集成。目前，單個執(zhí)行器是一個雙層系統(tǒng)，比塑料袋更薄，并且像一個塑料袋一樣靈活。他們希望將執(zhí)行器堆疊在類似腳手架的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可以三維移動。

Kedzierski設(shè)想這樣一個系統(tǒng)模仿我們身體的肌肉基質(zhì)，這是一種組織網(wǎng)絡(luò)，可以讓我們的肌肉實現(xiàn)瞬間，強(qiáng)大和靈活的運動。比肌肉強(qiáng)十倍，執(zhí)行器在很多方面受到肌肉的啟發(fā)，從靈活性和輕盈到流體和固體成分的組成。

正如肌肉在螞蟻或大象的尺度上是一個出色的執(zhí)行器一樣，這些微型液壓執(zhí)行器也可以產(chǎn)生強(qiáng)大的影響，不僅在微觀尺度，而且在宏觀上。

“有人可能會想到，”Eric Holihan說，他正在組裝和測試執(zhí)行器，“這項技術(shù)應(yīng)用于外骨骼”，它是用致動器作為栩栩如生的肌肉制造的，配置成柔性關(guān)節(jié)而不是齒輪。或者飛機(jī)機(jī)翼可能在電氣指令上變形，數(shù)千個執(zhí)行器相互滑動以改變機(jī)翼的空氣動力學(xué)形式。

雖然他們的想象力正在攪拌，但該團(tuán)隊在開發(fā)大型執(zhí)行器系統(tǒng)時面臨著挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是如何在該卷上分配功率。在開發(fā)微電池以與執(zhí)行器集成的實驗室的并行努力可以幫助解決該問題。另一個挑戰(zhàn)是如何封裝執(zhí)行器以消除蒸發(fā)。

“在我們展示解決方案之前，可靠性和包裝將繼續(xù)成為我們對該技術(shù)提出的主要問題，”Holihan說。“這是我們希望在未來幾個月里繼續(xù)攻擊的東西。”