全集成硅基电磁驱动器在无束缚仿生软体机器人中的应用研究

这篇研究突破性地开发了一种全集成硅基电磁（EM）驱动器，通过将铜线圈和小型磁体嵌入硅胶基体，实现了无需外部永磁体的仿生驱动。该驱动器具备双模式（吸引/排斥）响应（41.7%压缩/47.6%扩展）、高拉伸性（94%应变下仍可工作）、快速响应（>1 Hz）和低功耗（2.8 W），在软阀、流体混合器和高速软体机器人（速度27.6 BL/s）等非结构化环境中展现出卓越性能。其增材制造（AM）工艺和嵌入式设计为软体机器人提供了轻量化（18 g）、多模态驱动的创新解决方案。

　　

摘要

电磁（EM）软驱动器因其高响应速度、轻量化、低能耗和电控特性成为软体机器人的理想驱动方案。传统设计依赖外部永磁体，限制了实际应用。本研究提出了一种新型硅胶基EM驱动器，通过增材制造将铜线圈和小型磁体全集成于硅胶基体内，实现了无外部磁体的驱动。驱动器在吸引模式下可实现41.7%压缩，排斥模式下实现47.6%扩展，兼具拉伸性（94%应变后仍可工作）、可扩展性（300%尺寸放大）、多频操作和生物兼容性（0.15 N阻塞力），适用于软阀、流体混合器和高速仿生机器人等场景。

1 引言

仿生软体机器人需模仿生物肌肉的电响应收缩特性，但现有驱动技术（如流体驱动、形状记忆合金SMA、介电弹性体DEA）存在速度慢、高能耗或需外部设备等问题。EM驱动通过线圈电流与磁场相互作用产生电磁力（F_EM），但依赖外部磁体。本研究通过嵌入式设计解决了这一瓶颈，驱动器重量仅18 g，功耗2.8 W（1.5 A），频率>1 Hz，且通过多线圈-磁体集成（EMAS）实现复杂运动编程。

2 结果

2.1 驱动原理与制造

驱动器由硅胶基体（Ecoflex 00-10）嵌入铜线圈（0.1 g）和钕铁硼磁体（2.9 g）构成，通过定制化增材制造工艺（水溶性模具BVOH）实现无组装集成。电磁力计算基于磁通密度（Φ）和真空磁导率（μ₀），仿真与实验位移误差<3%。

2.2 性能表征

• 双模式驱动：吸引模式（5 mm间隙）在1.5 A下完全闭合，排斥模式（1 mm间隙）扩展4.6 mm。

• 动态性能：1.5 A时频率可达1.25 Hz，阻塞力0.15 N，300%放大后仍保持功能。

• 耐久性：94%拉伸应变后仍可工作，20,000次循环无退化。

2.3 应用验证

• 软阀：排斥模式阀在1.2 A下调节流量1.2 mL，混合阀通过电流梯度控制颜色混合。

• 仿生结构：硅胶心脏模型通过侧/底部EM驱动实现局部收缩（5.8 mm）和扩张（2.1 mm）。

• 行走机器人：在木材表面速度达27.6 BL/s（416 mm/min），超越猎豹相对速度（24 BL/s）。

3 讨论与结论

全集成EM驱动器通过嵌入式设计和AM工艺突破了外部磁体限制，其快速响应、低功耗和生物兼容性（磁场<38 mT，远低于安全阈值400 mT）为穿戴设备和医疗应用奠定基础。未来可通过多驱动器串联提升阻塞力，或结合导电墨水打印传感器实现闭环控制。该技术为无束缚软体机器人提供了高性能驱动方案，推动其在非结构化环境中的实际应用。

4 实验方法

• 材料：Ecoflex 00-10硅胶、BVOH模具、NdFeB磁体（N52）。

• 制造：多材料挤出（M-MEX）3D打印结合动态暂停-注射工艺。

• 测试：电流-位移曲线通过Tracker分析，COMSOL仿真耦合磁-结构场，疲劳测试采用Instron力学机。