來源： DeepTech深科技

是什麼讓這條軟體機器魚優哉遊哉？

　圖 | 軟體機器魚（來源：受訪者）

又是什麼讓這款機器人小車滾滾前行？

　圖 | 機器人小車（來源：受訪者）

雖然一個是 “魚”、一個是車，看似風馬牛不相及，但它們有着共同的 “機器心臟”—— 柔性電液泵。

　圖 | 柔性電液泵（來源：受訪者）

該“心臟” 由浙江大學機械工程學院鄒俊課題組設計，也是世界首個可通過自身液體自愈的柔性電液泵。

他告訴 DeepTech，研究靈感來自於蜘蛛，其體內含有一套獨特的生物液壓系統，蜘蛛心臟是核心動力部件，通過心臟把血淋巴泵送到腿部，血淋巴的液壓能量、就能轉換爲腿部的敏捷運動。

此外，蜘蛛的自然進化，可讓血淋巴主動對受損組織、或皮膚進行自修復，從而極大提高環境適應力。

圖 | 柔性電液泵的結構、原理以及自愈（來源：受訪者）

鄒俊表示：“一直以來，跑冒滴漏和噪聲問題，是液壓系統的頑疾，這嚴重製約了液壓系統的應用。”

此外，傳統液壓系統由於便攜性差，使用時非常受限。那麼能否研究出一種液壓泵，其功能類似於蜘蛛心臟，既能驅動又能自愈呢？

圖 | 蜘蛛心臟位置（來源：受訪者）

受此啓發，他和團隊研發出這款柔性電液泵，通過電場就能實現介電液的靜音泵送，還可通過在液體中添加自愈因子，實現破損和滲漏區域的自我修復。

4 月 14 日，Nature Communications 報道了這一研究成果，論文標題爲 “Customizing a self-healing soft pump for robot”。其中，浙江大學博士研究生唐威爲論文第一作者，張超副研究員和鄒俊教授爲論文通訊作者。

　圖 | 相關論文（來源：受訪者）

當古老的桐油遇見科學

據鄒俊介紹，無需移動部件，柔性電液泵就能實現液體的運動與操控。

其主要構件包括：一個帶有四個圓孔的柔性環電極、兩個帶有四個針的柔性針電極、兩個絕緣電極支架、和一個絕緣彈性體外殼。

圖 | 柔性電液泵的基本結構（來源：受訪者）

研究中他和團隊發現，由柔性硅橡膠材料製成的針孔電極對，可實現電流體的動力輸出，基於此他和團隊設計出了由全柔性材料製作的柔性電液泵。

爲了實現類似蜘蛛血液的自愈功能，他改進了柔性電液泵泵送的電響應介電液體，並在其中均勻融入桐油液體。

這樣可讓電響應介電液體、蛻變成一種可修復破損硅膠外殼的自愈性液體，從而實現液體泵送和自我修復的雙重功能。

圖 | 戳破外殼來進行自愈能力檢測（來源：受訪者）

其中，中國古人就在使用的桐油，在研究中起到了重要作用。

桐油是一種乾性油，它由氧鍵脂肪羧酸殘基和活性共軛碳 - 碳雙鍵組成，因此具有優良的固化性能，其在空氣中會固化成膜，並可用於修復受損的柔性材料。

因此，基於桐油改進後的功能液體，不僅具備電流體的驅動性能，又具備桐油的修復功能，柔性材料再也無懼損壞。

圖 | 被戳破後的流體具備自愈功能（來源：受訪者）

改進後的功能液體，全名叫癸二酸二丁酯 - 桐油溶液，裏面均勻地溶解着桐油。

圖 | 柔性電液泵自愈液體治療損傷的示意圖（來源：受訪者）

當桐油暴露在空氣中時，由於活性共軛碳 - 碳雙鍵很容易和氧氣結合，因此會被和氧連接的脂肪羧酸殘基吸收，從而引發均聚反應，最終會形成固體膜。

當柔性材料受到損傷時，泵內自愈液會暴露在空氣中，凝固後即可自動修復損傷。修復完成後，泵不僅能恢復正常工作，而且不發生任何泄漏。

圖 | 功能性液體的自愈能力（來源：受訪者）

同時，受損後的自愈材料，其原來的特徵也可得到保留。

具體來說，在 20℃ 時，自愈膜的儲能模量爲~14.3kpa，在 25℃ 時爲~13.2kpa，在 30℃ 時爲~10.6kpa。

在以上三種溫度下，自愈膜的損耗模量分別爲−3.1 kPa、−2.5 kPa 和−2.1 kPa。由此可見，能量損失非常少。

圖 | 自愈膜的儲能模量及損耗模量測試（來源：受訪者）

爲了進一步驗證自愈膜、和硅橡膠膜之間的粘附性能，鄒俊對這兩種膜進行了重複拉伸試驗。

把硅橡膠膜以每次 20% 的應變、重複拉伸 200 次後發現，硅橡膠膜與自愈膜仍能牢固地粘結在一起，這說明它們之間具有良好的粘結性能。

圖 | 自愈膜與硅橡膠膜的粘接拉伸測試（來源：受訪者）　

但溫度對自愈時間有着明顯影響，同樣受損情況下，35℃ 環境中完全自愈耗時約 6 小時，24℃ 環境中自愈耗時約 1 天。

修復後的流體動力系統，能連續工作 2 小時，而且全程無泄漏，這證明了該自愈方法的有效性和可靠性。

不過，這種自愈只能在空氣中實現，而無法在水中實現，因爲水中缺乏與空氣的接觸。

圖 | 自愈過程（來源：受訪者）

就柔性電液泵的工作步驟來說，當泵內充滿功能液體時，在柔性針孔電極的電場作用下，針孔之間可以產生射流，以便實現泵送功能。

圖 | 柔性針孔電極對之間產生強大的射流（來源：受訪者）

由於柔性針電極、位於柔性孔電極兩側，通過電路的切換，柔性電液泵能快速實現流體的正反向流動，從而變成一個高度可控的雙向變量液壓泵。

圖 | 用柔性電液泵在兩個圓柱形儲罐之間泵液體（來源：受訪者）

其工作原理是，在正極和接地電極之間的強烈、且不均勻電場作用下，針電極附近少量中性液體分子中的電子，被剝離變成正離子。

在庫侖力（一種物理學定律）的作用下，這些自由的正離子、從針電極快速移動到孔電極，並拖動大量的中性液體分子、與之一起流過孔電極，從而形成強大的射流。

　圖 | 柔性電液泵的工作原理（來源：受訪者）

當正離子到達孔電極時，正離子在接地的孔電極上放電，重新變成中性液體分子。在通電情況下，這些過程會持續進行，泵內液體也會一直流動。除非切斷電流，流動纔會停止。

此外，鄒俊還對柔性電液泵進行了理論建模，並用仿真軟件 COMSOL Multiphysics 進行了數值模擬。

　圖 | 柔性電液泵帶來的動力（來源：受訪者）

爲了匹配柔性電液泵，他們還自主設計出一款小型驅動電路板，該電路板使用電池、或無線電力傳輸系統作爲動力，它能讓柔性電液泵實現雙向可逆泵送。

結合小型驅動電路板，柔性電液泵可嵌入不同的液壓動力系統和機器人系統，從而讓前文的軟體機器魚和機器人小車實現無束縛運動，這也是無束縛軟體機器人中的巨大進步。

圖 | 柔性電液泵的數值模擬結果（來源：受訪者）

可實現液壓系統的 “私人訂製”

實際應用中，就電液泵的外貌和泵送能力來說，不同液壓動力系統的需求，也各不相同。慶幸的是，柔性電液泵的尺寸和形狀，可根據具體需要進行定製。

泵的尺寸可大可小，爲的是可以匹配不同尺度的機器人系統。此外，柔性電液泵的外殼和電極配置的設計空間很大，比如可以設計成圓柱形、三角形、五角形和模仿心臟外形等。

　圖 | 各種尺寸及形貌的柔性電液泵（來源：受訪者）

另外，柔性電液泵通過針孔電極對產生流動，產生的流量與壓力較大，並且它由輕量化的柔性材料製成，質量也比較輕。

相比同尺寸的傳統剛性泵，在同樣重量下，這種泵能產生更大的輸出流量和壓力，同時具備較好的可攜帶性。

在可控性上，柔性電液泵爲一種電控泵，只需結合驅動電路板，就可實現快速雙向可逆控制。

圖 | 柔性電液泵的泵送性能及性能對比（來源：受訪者）

在驅動上，它可實現靜音驅動，因爲它不含可移動部件，因此驅動時既沒有聲音、也沒有振動。

當然最重要的，是柔性電液泵的自愈能力，一旦柔性材料能實現自我修補，就能給相關設備節約製造成本。

不過鄒俊也坦言，目前的柔性液壓泵只是初期版本，在驅動能力、製作方式和響應速度上，還有較大提升空間。

其還表示：“該研究爲液壓系統的靜音驅動和自修復，提供了新型解決方案，有望大幅提升液壓系統的環境自適應能力，同時也爲穿戴式裝備的無繩驅動，提供了新思路。”