基于动力学电子学的薄膜机器人与电子模块的机电对接与分离机制

《npj Flexible Electronics》：Electromechanical docking and undocking mechanisms for thin-film robotic and electronic modules based on kinetic electronics

　　

可重构模块级互连（Reconfigurable module-level interconnection）在小型机器人系统与薄膜电子系统中仍然有限，特别是在主动连接形成、可逆机械耦合与电连续性方面。在本研究中，研究人员报告了基于动力学电子学（kinetic electronics）的薄膜机器人与电子模块的主动机电对接与分离机制。研究人员开发了一种单平面探针组装机构（single-plane probe assembly mechanism）和一种分离模块组装机构（separation module assembly mechanism）。这些机制在5–12 V下工作，并建立同时的机械耦合与电连续性，且在无供电状态下持续存在。在对接过程中，探针机构在1.1 W下实现了10 mm变形，而分离模块机制的平均工作功率为0.43 W，平均最大保持力为618 mgf（6.1 mN）。这些结果证明了薄膜模块系统可逆主动机电互连的概念验证。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
模块化机器人系统与小型电子系统的可重构性对复杂任务适应性至关重要，但现有非模块化系统难以应对多样化需求，且单点故障可能导致整体失效。当前，大型模块化机器人如Sambot、M-TRAN等已实现自重构，但微小型机器人及薄膜电子系统中，模块级互连仍面临挑战：主动连接形成、可逆机械耦合与电连续性难以同时实现。多数现有方法依赖外部连接器或磁耦合，缺乏薄膜兼容性。因此，研究人员基于动力学电子学（kinetic electronics）开发了薄膜机电对接与分离机制，旨在实现模块级集成与功能扩展。该研究发表在《npj Flexible Electronics》。

**研究内容与结论**
研究人员提出了两种薄膜对接机制：单平面探针组装机构与分离模块组装机构。这些机制通过电热双压电晶片致动（electrothermal bimorph actuation）实现主动连接，并在无供电状态下保持机械耦合与电连续性。实验表明，探针机构在1.1 W功率下可实现10 mm变形，分离模块平均功耗0.43 W，最大保持力618 mgf（6.1 mN）。该概念验证为薄膜模块级可逆主动机电互连提供了基础，有望支持未来可重构传感与执行系统。

**关键技术方法**
主要技术方法包括：基于动力学电子学的二维自上而下制造工艺，使用聚丙烯（OPP）与聚酰亚胺（PI）复合膜形成电热双压电晶片致动层；通过轮廓切割与金（Au）溅射形成电路层；采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）骨架图案化（skeletal patterning）诱导扭转变形，实现面外接触；利用激光加工制作模具，结合氧等离子处理增强PDMS与PI的结合。控制电路基于Arduino微控制器与PhotoMOS继电器，采用开环脉冲宽度调制（PWM）驱动。所有实验在空气中进行，无样本队列来源。

**研究结果**

**动力学电子学基薄膜机电对接与分离概念（Concept of kinetic electronics-based thin-film electromechanical docking and undocking）**
通过薄膜电热双压电晶片致动器，实现机械与电连接的主动形成与断开，连接状态可在断电后维持。

**制造概述（Fabrication overview）**
采用二维自上而下工艺，在OPP/PI双压电晶片膜上形成Au电路，并通过PDMS骨架图案化定义模块形状。

**单平面探针组装机构结构（Structure of the single-plane probe assembly mechanism）**
设计包含环与钩的臂，通过骨架图案诱导扭转，实现面内对接与电接触。

**分离模块组装机构结构（Structure of the separation module assembly mechanism）**
模块A（公连接器）含三指致动器，模块B（母连接器）含孔洞，通过插入实现机械耦合与电连接。

**骨架图案化薄膜致动器表征（Characterization of skeletal-patterned film actuators）**
通过改变骨架布置角度（30°–60°），测量变形与曲率。45°时曲率最大（0.14 mm^?1），扭转角度随角度增大而增加，最大变形22.3 mm（50°时）。

**单平面探针组装机构表征与操作演示（Characterization and operational demonstration of the single-plane probe assembly mechanism）**
在9 V PWM驱动下，环与钩臂在50秒内完成对接，变形量约9 mm，接触电阻24.8 Ω。钩臂与环的变形速率分别为0.54 mm/s与0.66 mm/s，连接状态在断电后保持。

**分离模块组装机构表征与操作演示（Characterization and operational demonstration of the separation module assembly mechanism）**
模块A中央指致动器在0.125 Hz时变形11.43 mm，高频下变形减小；模块B变形与功率线性相关。最大保持力618 mgf（6.1 mN），接触电阻7.98 Ω。电热串扰评估显示，模块B致动时模块A变形0.4 mm，而模块A致动时模块B变形接近噪声水平。全流程对接与分离耗时132秒（对接40秒，分离34秒）。

**总结讨论与结论**
讨论指出，当前原型存在致动速度慢、功耗高、动态对接重复性差及仅在空气中测试等局限。电热致动受限于散热速度，需进一步微型化与结构优化以提高响应速度。尽管存在这些限制，该机制仍适用于低速连接任务，如薄膜模块更换与可穿戴传感系统。该研究提供了薄膜模块级主动机电互连的概念验证，区别于现有磁、毛细等耦合方法，具有薄膜兼容、主动连接、可逆保持等特性。结论部分翻译如下：本研究开发了基于动力学电子学的薄膜机器人与电子模块的机电对接与分离机制，研究了集成结构内的组装机构与可分离模块机构。结果表明，这些薄膜机制能够形成并维持可逆机械耦合与电连续性，包括连接后在无持续供电下的保持状态。因此，该工作应被解释为薄膜模块级主动机电互连的概念验证，而非完整的模块化机器人系统。