【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】11月5日，電氣學(xué)院、強(qiáng)磁場(chǎng)中心李亮教授團(tuán)隊(duì)在磁控軟體驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，破解了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中“形變幅度與磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)關(guān)聯(lián)”這一瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了低磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的大幅形變調(diào)控。研究成果以“用于低磁場(chǎng)可編程大形變的磁控雙穩(wěn)態(tài)軟體驅(qū)動(dòng)器”(Magnetoactive bistable soft actuators for programmable large shape transformations at low magnetic fields)為題，在《自然·通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。我校為論文唯一署名單位，博士生文昊為第一作者，李亮教授與曹全梁教授為共同通訊作者。
磁控軟體驅(qū)動(dòng)器憑借遠(yuǎn)程無纜操控與可編程形變能力等優(yōu)勢(shì)，在軟體機(jī)器人及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器受限于磁力矩與彈性恢復(fù)力矩持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)的形變機(jī)制，形變幅度與磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致“高場(chǎng)依賴”與“狀態(tài)失穩(wěn)”兩大固有局限：實(shí)現(xiàn)大形變必須依賴高強(qiáng)度磁場(chǎng)的持續(xù)激勵(lì)，且磁場(chǎng)撤除后形變無法維持，嚴(yán)重制約了驅(qū)動(dòng)器能效與應(yīng)用能力的提升。因此，如何突破現(xiàn)有力矩競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在低磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)快速可逆大形變與狀態(tài)自維持，已成為推動(dòng)磁控軟體驅(qū)動(dòng)器技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要突破口。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，受“隱形眼鏡可輕松內(nèi)外翻轉(zhuǎn)”這一現(xiàn)象的啟發(fā)，李亮教授團(tuán)隊(duì)提出融合半球殼型雙穩(wěn)態(tài)軟體結(jié)構(gòu)與磁致失穩(wěn)機(jī)制的新型磁控形變方法，構(gòu)建了以高磁矩單元(強(qiáng)磁場(chǎng)預(yù)磁化)和低勢(shì)能差雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為核心的磁-力學(xué)耦合系統(tǒng)。在外部磁場(chǎng)作用下，通過脈沖磁力矩誘發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跨越雙穩(wěn)態(tài)間的能量勢(shì)壘而實(shí)現(xiàn)形態(tài)調(diào)控。該策略巧妙利用結(jié)構(gòu)自身的彈性能來主導(dǎo)穩(wěn)態(tài)切換過程，而通過磁場(chǎng)作為瞬態(tài)的定向“觸發(fā)器”，從而擺脫了對(duì)高強(qiáng)度磁場(chǎng)的依賴，實(shí)現(xiàn)了低磁場(chǎng)下驅(qū)動(dòng)器形貌的大幅快速躍遷。
基于上述方法與機(jī)制創(chuàng)新，李亮教授團(tuán)隊(duì)在低至20 mT的弱磁場(chǎng)條件下，實(shí)現(xiàn)了形變率(形變高度與半徑之比)超過0.8的大幅度形變，在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與形變率兩方面均顯著優(yōu)于現(xiàn)有同類驅(qū)動(dòng)器報(bào)道水平(通常>100 mT磁場(chǎng)，形變率<0.5)，且雙穩(wěn)態(tài)構(gòu)型切換時(shí)間可低至0.1s以下。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高流速軟體隔膜泵、可編程重構(gòu)的類超表面材料陣列以及仿海葵變剛度抓手等系列磁控軟體驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用系統(tǒng)，充分展示了該驅(qū)動(dòng)方法在柔性驅(qū)動(dòng)、可編程結(jié)構(gòu)與智能操控等領(lǐng)域的廣泛適用性。
該項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了磁控軟體驅(qū)動(dòng)器從傳統(tǒng)“持續(xù)強(qiáng)力矩競(jìng)爭(zhēng)”到“瞬態(tài)低磁場(chǎng)觸發(fā)躍遷”的形變調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)變，兼具低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)自鎖、瞬時(shí)躍遷等核心優(yōu)勢(shì)。這一突破為在體內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人等空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)“低能量輸入、強(qiáng)力場(chǎng)輸出”提供了新思路，對(duì)于雙穩(wěn)態(tài)/多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)融合的先進(jìn)軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)具有啟發(fā)意義，并將推動(dòng)微型化、低功耗軟體驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
圖1. 磁控雙穩(wěn)態(tài)軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)思路和雙向可逆形變調(diào)控圖
圖2. 磁控雙穩(wěn)態(tài)軟體驅(qū)動(dòng)器在不同磁場(chǎng)頻率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性圖
李亮教授團(tuán)隊(duì)長期致力于強(qiáng)磁場(chǎng)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究，牽頭建設(shè)“十一五”脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置和“十四五”脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)化提升兩項(xiàng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，建成國際領(lǐng)先的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)大科學(xué)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了我國超強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件從無到有、從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。團(tuán)隊(duì)榮獲2019年國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2018 年湖北省科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和2022 年湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，并入選“全國專業(yè)技術(shù)人才先進(jìn)集體”和“中國青年五四獎(jiǎng)?wù)录w”等榮譽(yù)稱號(hào)。
團(tuán)隊(duì)緊扣國家和行業(yè)重大需求，依托大科學(xué)設(shè)施，積極開展強(qiáng)磁場(chǎng)前沿應(yīng)用技術(shù)研究，在大型永磁裝備原位充退磁、電磁成形制造、磁控機(jī)器人及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等多個(gè)交叉領(lǐng)域取得系列突破，相關(guān)工作發(fā)表于Nature Communications、Science Advances、International Journal of Machine Tools and Manufacture以及IEEE系列等國內(nèi)外高水平期刊，并指導(dǎo)學(xué)生榮獲中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽全國金獎(jiǎng)(2024年、2025年)、全國大學(xué)生機(jī)器人科技創(chuàng)新交流營暨機(jī)器人大賽特等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。
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