0仿生智能与机器人2（2022）1000770可在ScienceDirect上获取目录0仿生智能与机器人0期刊主页：www.elsevier.com/locate/birob0设计、制造和表征仿生机器人用静水压电活性软执行器0张艺源a，1，张浩楠a，1，王匡a，刘宇晨a，莫艳茹a，李文b，�，20a 北京航空航天大学通用工程学院，中国北京100191 b北京航空航天大学机械工程与自动化学院，中国北京1001910文章信息0关键词：横向肌肉恒定体积驱动 激光加工介电执行器 软机器人0摘要0在本文中，我们设计了一种受章鱼横向肌肉启发的静水压电活性软执行器（HESA）。我们介绍了激光加工技术在HESA制造中的优势，与现有类似执行器相比，并讨论了激光加工对执行器外膜的影响。此外，我们建立了执行器单通道的数学模型，并通过数学模型模拟和实验优化了执行器的几何参数。我们展示了执行器的运动效果。我们的实验表明，执行器的单件可以在轴向方向实现32.2%的应变和在半径方向实现7.8%的应变。此外，我们将三个执行器堆叠在一起，并描述了它们在不同频率下的运动特性。堆叠的执行器可以实现轴向拉伸、径向收缩和弯曲，涵盖了章鱼生物横向肌肉的所有运动模式。这项研究可能为实现仿生软执行器奠定基础，仿效章鱼的横向肌肉，这是一个鲜为人知但在受章鱼启发的臂部研究中至关重要的肌肉组成。01.引言0自然界中许多软体动物展现出令人兴奋的机-0机械和运动特性。章鱼使用其柔软的触手抓取远处的物体[1,2]并完成复杂的动作。大象鼻子可以清除障碍物并吸水[3]。壁虎可以利用手掌上的纤毛爬墙[4]。这些动物已经演化出灵活的生理结构以适应环境。章鱼一直是软体动物中最著名的生物之一，并激发了大量的软体机器人研究[5-14]。章鱼有一个高度灵活的臂，可以完成高度拉伸、弯曲、变刚度和其他行为。这种高运动灵活性可以归因于其巧妙的肌肉水压系统[15]。0章鱼臂的关键组成部分是横向肌肉-0（如图1A中所示的蓝色），它在恒定体积的约束下运动：当被激活时，它在径向收缩的同时在轴向拉伸。通过激活横向肌肉的一部分，该部分将拉伸并引起弯曲运动。当横向肌肉的所有部分收缩时，臂部倾向于在轴向方向拉伸并在半径方向收缩。一些受章鱼肌肉启发的机器人形式0� 通讯作者。电子邮件地址：liwen@buaa.edu.cn（L. Wen）。1这些作者对这项工作做出了同等贡献。2由于他担任本期刊的客座编辑，LiWen没有参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。对本文的编辑过程负全部责任的是俞军志教授。0在此之前已经开发出了一些致动器，包括形状记忆合金（SMA）致动[5,10]，气动致动[9, 14]和电缆致动[11,12]。其中大多数无法展示章鱼臂的半径收缩，因为它们忽略了横向肌肉结构，因为其复杂的运动方式。Laschi等人尝试模仿横向肌肉结构[5, 10, 11,13]。然而，一种能够实现轴向延伸、半径收缩和弯曲的仿生横向肌肉结构仍然缺乏描述。0与肌肉水压系统类似，软介电致动器是一种0一种恒定体积致动器。基于介电弹性体（DE）致动器[16]，Keplinger等人在DE的弹性体之间添加了高压绝缘油层，并提出了一种自愈合液压介电致动器（HASEL）[17]。它由弹性外壳、高压绝缘油和柔性电极组成。这种组合使得致动器具有液压特性。高压绝缘油可以在高压击穿的情况下在一定程度上保护致动器，并提高致动器的工作持续时间。然而，HASEL致动器的常见制造方法相对复杂或繁琐[17-19]。Keplinger等人介绍了一种使用3D打印机作为CNC加工HASEL的方法，以及用于电极制造的丝网印刷方法，显著改善了0https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100077 2022年9月12日收到；2022年10月3日修订稿收到；2022年10月5日接受 在2022年10月12日在线发布 2667-3797/ ©2022作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。本文是根据CC BY许可的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。Fig. 1. An electroactive soft actuator inspired by the transverse musculature of muscular hydrostats. (A) Transverse musculature is a kind of muscular hydrostat that elongatesaxially and contracts in the radius direction under constant volume movement constraints. Adapted with permission. Copyright © 2007 Wiley-Liss, Inc. © 2012. Published by TheCompany of Biologists Ltd. (B) Model and the design of movements of biomimetic soft actuator HESA.20Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人。仿生智能与机器人学2（2022）1000770HASEL制造的效率[20, 21]。然而，上述制造方法仍然需要单独密封和切割油囊。0在这项研究中，我们设计了一个三通道的水动力电致动器0基于横向肌肉结构的软致动器。这种致动器不仅可以弯曲，还能够在纵向方向延伸并在半径方向收缩（图1B）。这种柔性致动器充满了介电流体，因此它在体积约束下运动，就像肌肉水压系统一样。基于HASEL致动器的制造方法，我们使用激光加工制造了HESA，而不是修改3D打印机为CNC热封机。HESA的激光加工是一种精确的制造方法，它将油囊密封和切割结合在一个过程中，而不需要额外的学习或修改激光加工系统。0为了更深入地探索HESA致动器，我们调整了几何参数0被选中优化纵向延伸能力。然后提出了数学模型，并进行了仿真。通过调整关键加工参数来测试激光密封的性能。最后，我们使用跳水板来驱动HESA，以验证我们的设计。02. 方法02.1. HESA的参数设计0在章鱼的肌肉水压系统中，结构0横向肌肉结构类似于四角星；这种肌肉结构排列使章鱼臂能够在2个自由度上弯曲。在我们设计的HESA中，保证了生物章鱼臂的自由度，并通过简化四角星为三通道致动系统来降低复杂性。HESA的构成可分为三部分：柔性外壳、介质油和柔性电极。在制造过程中，我们将柔性外壳称为油囊的外皮。0基于初始致动器尺寸，进行参数优化实验0通过改变扇形轮廓的张开角和电极尺寸进行参数优化实验。考虑到激光加工的高精度，我们可以进行毫米级的几何参数调整。对于扇形轮廓的张开角�，我们选择从80度到120度的中间范围，并分别设置张开角为80度、90度、100度、110度和120度，每隔10度增加一次。对于电极尺寸，我们选择逐渐增加半径R1毫米。同时，需要定制四种新的电极形状以匹配具有不同张开角特性的致动器几何形状。需要定制八种新的电极形状，其中四种取0将角度作为变量，其余以半径长度作为变量（图2A）。0我们以电极半径作为自变量，纵向0纵向伸长作为因变量。在不同的作用电压下，三条曲线呈现先增加后减少的趋势；当电极半径为20毫米时，伸长值达到最高点（图2B）。因此，20毫米的半径可能接近HESA的应变性能拐点。根据计算，当电极半径为20毫米时，最大纵向伸长为128.7%。然而，18毫米半径的电极只有83.4%的伸长。在不同电极半径的条件下，使用3 kV、4 kV和5kV作为自变量，纵向伸长作为因变量，可以得到以下实验结果。对于每种电极尺寸，增加的施加电压并没有显著改变纵向伸长（图2C）。因此，考虑到能耗，选择较小的电压更为合适。确实，这里仍需注意的是，由于致动器的特性，有必要确保作用电压达到激活电压阈值。当受不同电压作用时，开角为90°和110°的致动器的纵向伸长几乎保持不变，而其他开角的致动器的纵向伸长随作用电压增加而增加（图2D）。0这些数据表明，对于后者，在实验条件下，增加作用电压03 kV到5kV的范围不足以使两个电极紧密贴合，且作用效率需要提高。在随后的实验中，应该以等间隔增加作用电压，直到图表趋于平缓，表明已达到最大的作用效率，进一步增加作用电压只会浪费能量。我们以张开角作为自变量，纵向伸长作为因变量，相关实验结果如下。可以看到，尽管存在一些波动，但总体呈增长趋势。基于对该结果的分析，本文认为张开角将改变致动器单元中的油液分布。张开角越大，相应分布越均匀，最远和最近电极板之间的距离间隙越小，这意味着致动器更有可能产生“拉链”效应[22]，并且具有更好的致动性能。02.2. 使用激光加工HESA软致动器0为了批量生产HESA致动器并实现标准化0方式，我们提出了一种方案（图3）使用激光切割机30Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物启发智能与机器人学 2 (2022) 1000770图2. HESA的伸长性能。（A）通过调整开角 � 和软电极半径 R设计不同尺寸的HESA。（B）电压输入对纵向伸长的影响，包括电极半径。（C）电极半径对纵向伸长的影响，包括驱动电压。（D）电压输入对纵向伸长的影响，包括电极的开角。0用于皮肤加工。激光切割使用聚焦的高频脉冲和高能量激光束与物质相互作用。高功率密度激光作为能源轰击膜材料，材料分子吸收光能并将其转化为热能，迅速加热局部材料。TPU薄膜材料是一种热塑性材料，可以在高温下熔化。冷却后，效果类似于焊接[23,24]。通过为不同的加工轨迹设置不同的激光功率，激光切割机可以同时热封（低功率）和切割（高功率）油囊皮肤。0在这里，我们利用激光产生的热量来焊接膜0材料。使用激光焊接具有以下优点：（1）焊缝窄，有很好的精细加工潜力（在焦点情况下，焊缝尺寸约为0.2毫米）；（2）在焊接过程中不会对膜材料施加接触力，导致无残余应力和因此产生的不良变形；（3）可以设置各种加工参数和加工路径，以一次完成执行器的热封和切割；（4）激光束可操纵，可以实现无惯性的紧急停止和快速转向；（5）与常规激光切割方法一致，无需额外的操作学习。0加工参数和加工路径可以设置完成执行器的热封和切割；（4）激光束可操纵，可以实现无惯性的紧急停止和快速转向；（5）与常规激光切割方法一致，无需额外的操作学习。0在使用激光切割机加工时，TPU薄膜是0首先将薄膜切割到适当尺寸并清洁，然后将两层叠放在一起，压平，并固定在激光切割工作平台上。然后通过在膜上放置匹配的聚焦工具并调整操作平台的高度来对焦激光头。然后打开激光操作平台的空气泵，并使用气流吸附将薄膜贴合在加工平台上。最后，导入文件，并在加工设置中设置适当的加工参数来加工油囊皮肤。0激光参数的设置对制造有显著影响0制造。功率和速度影响热封。功率过高或(1)40Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物启发智能与机器人学 2 (2022) 1000770图3.基于激光加工的HESA制造过程。首先，使用激光蚀刻系统通过调整激光功率对油囊皮肤进行封口和切割。如果某些皮肤的封口效果不佳，可以选择使用热压和铜模进行二次封口。其次，使用注射器向制备好的油囊中加入适量的高压绝缘油。第三，通过丝网印刷在准备好的油囊上打印电极。第四，将漆包线焊接到小铜片盘上，并粘贴在柔性电极上。0速度过慢会导致薄膜烧穿，而功率过低或速度过快会导致热封效果不佳（图4A）。激光的脉冲频率也会影响热封点的密度。激光参数（功率、速度和每英寸脉冲数（PPI））对加工效果的影响将在结果和分析章节中进行详细分析。总的来说，功率和速度对热封效果的影响大致呈倒U形曲线：随着功率或速度的增加，热封效果会变得更好，然后变差。0热封的另一个缺点是产生的气泡0加热时材料的不均匀性也会导致密封失效（图4B）。此外，膜表面的清洁度（图4C）也对加工效果有很大影响。空气中的看不见的灰尘和头发会对热封效果造成很大破坏。在实践中，薄膜的两层不需要高度贴合。较小的均匀间隙不会影响热加工，因为加工平台的气流吸力和激光的微动能可以帮助工作点良好贴合。然而，如果薄膜两层之间的空间较大，或者薄膜上有任何褶皱，也会导致上膜被切断，但上下膜之间没有密封，因为热量没有充分传递到下膜。0通过在模型的侧面添加高功率加工路径0它可以直接完全切断密封油囊。使用激光加工油囊皮肤的解决方案可以简化几何设计的迭代;并且可以高容量、标准化生产油囊，而不必担心随后的切割会破坏油囊的密封性能。然而，与此同时，激光加工也面临一些挑战。需要测试不同密封几何形状的参数，因为激光头运动速度的插值算法在不同类型的路径之间是不同的。例如，在直线和弧形密封中，相同速度设置下的线速度是不同的。因此，调整不同路径的速度和脉冲次数是必要的，以防止一些部分在其他部分热封之前被烧穿（图4D）。02.3. 致动器的数学建模和仿真0几何参数对致动器性能的影响0在上述描述中，致动器的性能只能通过重复实验来探索。为了可靠地系统预测致动器的性能，我们根据致动器的实验结果和其形状变化的抽象描述，建立了致动器的几何物理模型的轮廓（图5A和图5B）。0我们假设致动器的油被扇形包裹0圆柱形薄膜，其中扇形的半径为 R1，开口角为 �。总内部油量为V。考虑到参数实验中的平均径向收缩率小于10%，假设 R1的值保持不变。柔性扇形电极的半径为R2，上下板之间的距离均匀分布。在这种情况下，薄膜的厚度为h0。当电极施加高电压 U 时，板间距 g减小，油囊右侧的体积增加，薄膜厚度变为h1。理想情况下，我们假设油是不可压缩的。以下图显示了参数如何变化以及变形前后的效果。0我们假设在初始状态下薄膜不会变形;也就是说,0薄膜与油之间没有压力，因此初始压力 Pii =0。施加高电压后，电极板在静电压力下相互吸引。油被挤压到薄膜外部，使薄膜受力并变形。此外，内部压力同时增加。随着每个电极板持续受到静电压力，距离减小，内部压力持续增加，直到系统达到动态平衡。0下面的方程可以计算上述过程中的变形。首先，变形前后的体积表达式可以与油的等体积特0360 + ��1�(�1 - �2) × 10� = ��0Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang et al.Biomimetic Intelligence and Robotics (2022) 10007702(�1 + �2))= 𝐸= 𝐸50我们可以得到薄膜厚度 �1：0图4. 不同制造参数下失效的原因。（A）热封失效。（B）大量气泡。（C）TPU表面不干净。（D）激光烧穿。0360 2�� - �2^2�0�1 =0�1^2 - �2^2 (2)0�� ∕ � (3)0������ = �0�� = ������ - ������� (4)0其中0360 × 2��1 + 2(�1 + �2)] (5)0������� = �360 × 2� × (�1^2 - �2^2) +0360 × 2��2 + 2(�1 - �2) b + �360 × 0������ = (2�1 - 0360 × 2��2 + 2 (�1 - �2) b + �360 × 2� × (�1^2 - �2^2)0因此，内部压力可以计算如下：0��� = �0� (7)0根据Edouard Leroy的论文中关于柔性电极的静电压力公式：0����� = 02(����������� + �) 2 (8)0其中 � 是电压，� 是顶膜和底基板之间的距离，����������� 是介电厚度。���是一个等效介电常数，考虑了流体厚度和介电常数：0��� = ����0����������� + � (9)0其中 ����������� 和 ������分别是介电材料和流体的相对介电常数。对于我们在这里提出的所有模型，��������40，������ = 3，����������� = 20μm。0最后，我们可以计算出HESA的参数 �, �1, ���0通过结合内部压力和电极压力的方程，达到稳定状态。0����� = �0� = ��� (10)0通过将上述方程与数值逼近相结合，我们可以解出不同参数下的 g 和h1。因此，我们可以模拟电极的纵向伸长和间隙。以参数 R2 为18毫米，V为1.5毫升，�为90°的HESA为例，我们通过上述模型得到了以下三个图，这些图对应于实验结果的伸长。驱动器的伸长随着电极半径的增加而增加。当A2在22毫米到23毫米之间时，它达到了峰值（图5C）。与实际实验中20毫米的值相比，这个结果在一个合理的范围内。电压降低对伸长的影响也呈现出从快到慢的增长趋势，这与上述饱和电压理论一致。当电压大于15千伏时，纵向伸长的增长速率随着电压的增加显著减小（图5D）。同样，从电压施加后电极间隙的变化角度来看，当电压大于10千伏时，减小电极间隙变得越来越具有挑战性（图5E）。因此，在未来的设计中，应该从能量转换效率的角度选择适当的驱动电压。03. 结果和分析0在实施了HESA的制造过程后0新方法后，深入研究了激光加工中激光参数与加工效果的关系。此外，我们还进行了实验，探索了单件和多件致动器的运动性能。还尝试了对每个致动器通道进行实时电容感应数据采集。60Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物智能与机器人学 2 (2022) 1000770图5. HESA的单通道建模。(A) 剖面图。(B) 正投影图。(C) 电极半径对纵向膨胀的影响。(D) 致动电压对纵向膨胀的影响。(E) 致动电压对一对软电极之间间隙的影响。03.1. 激光加工参数设置对加工效果的影响0不同的激光加工参数对加工效果有显著影响0在实际加工过程中，我们通过单因素变量控制和调整激光参数，研究焊接痕迹的形态变化，包括功率、激光移动速度、激光脉冲次数和离焦。通过20倍光学放大观察焊接痕迹的研究表明，速度过快或功率过低会导致密封失败。在上述情况下，加工的薄膜无法获得足够的能量加热到所需的密封温度。相反，速度过慢或功率过高会吸收过多的能量，导致高温切断薄膜。0高速和高功率会使激光密封不均匀0导致焊痕不连续。在加工过程的前部分，焊接痕迹吸收了更多的能量，因此焊接痕迹比期望的宽。在加工的后部分，焊接痕迹逐渐变得不太明显。如果功率继续增加，将出现不连续的彗星状燃烧孔(图6A)。此外，任何加工参数下都可能在焊接处产生气泡。根据当前的实验，这不会影响焊接强度和密封效果。根据几次实验的结果，我们可以得出以下结论：功率过高和速度过慢会导致烧穿，功率过低和速度过快会导致焊接失败，PPI影响焊接的均匀性。0增加，焊接处会出现不连续的彗星状燃烧孔(图6A)。此外，任何加工参数下都可能在焊接处产生气泡。根据当前的实验，这不会影响焊接强度和密封效果。根据几次实验的结果，我们可以得出以下结论：功率过高和速度过慢会导致烧穿，功率过低和速度过快会导致焊接失败，PPI影响焊接的均匀性。0我们全面评分了手动焊接获得的焊接强度0拉伸断裂、显微镜观察到的加工缺陷以及注油测试获得的密封效果。我们绘制了激光头移动速度和激光功率作为横纵坐标的图表，以获得以下图表(图6B)。该加工参数下的主要缺陷形式通过颜色分类，数字表示焊接效果。得分值越高，损伤容忍性和密封性能越好，加工缺陷越少。实验表明70Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物智能与机器人学 2 (2022) 1000770图6. 不同加工参数导致的焊接结果。(A) 不同激光速度、功率和PPI下的焊接痕迹。(B) 缺陷分布和焊接结果评估。0图7. HESA单件的驱动。(A) 顶视图显示半径收缩7.8%。(B) 前视图显示轴向延伸32.2%。0显微镜观察到的一些缺陷与焊接强度和密封性能没有因果关系，例如焊接处的少量气泡或少量燃烧孔对密封性能影响不大。03.2. 单个HESA致动器的运动0电极是通过屏幕印刷连接到软致动器的油囊上的0屏幕印刷，并通过铜带连接到驱动板80Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物智能与机器人学2（2022）1000770图8.HESA片叠加在5千伏下的致动。（A）通过激活HESA片的三个通道进行的1毫米延伸。（B）1赫兹激活时的随时间延伸长度。（C）5赫兹激活时的随时间延伸长度。（D）10赫兹激活时的随时间延伸长度（E）通过激活两个通道产生的弯曲运动。（F）1赫兹激活时的随时间弯曲角度。（G）5赫兹激活时的随时间弯曲角度。（H）10赫兹激活时的随时间弯曲角度。0漆包线。在5千伏的激励电压下，软致动器提供更大的应变和更快的响应。我们使用网格板测量了致动器的变形（图7）。由5伏电压驱动的单个软致动器可以同时实现半径方向的收缩和轴向方向的延伸。半径方向的应变可以达到7.8%，轴向方向的应变可以达到32.2%。03.3. 叠加HESA致动器的运动0章鱼肌肉的横向肌肉不是一个薄层0因此，我们将三个致动器叠放在一起，并以5千伏激活它们。我们首先将HESA的所有通道与5千伏电压并联连接。通电时，三个柔性电极对在三个通道中相互吸引，迫使介质油进入at[4][6][8][12][17][18][19][20][23]90Y. Zhang, H. Zhang, K. Wang等人. 生物智能与机器人学2（2022）1000770三个腔室，导致整个致动器相应地延伸（图8A）。根据相同的原理，使用1赫兹、5赫兹和10赫兹的频率进行致动。获得了随时间的延伸长度曲线（图8B至图8D）。总的来说，随着频率的增加，致动器的延伸减小。在5赫兹的致动中，延伸范围略有偏移（图8C）。然后，为了测试仿生章鱼横向肌肉的弯曲能力，我们对其中两个通道进行了电致动。当被激活的两个腔室膨胀而只有一个腔室保持相同形状时，致动器产生弯曲运动（图8E）。根据相同的原理，应用了1赫兹、5赫兹和10赫兹的频率进行致动，并获得了图8F至图8H中的曲线。我们可以看到，致动效果相当稳定。1赫兹时的运动范围最大，而5赫兹和10赫兹的运动范围相对一致。有趣的是，致动器在10赫兹的弯曲运动中表现出两个固定的循环姿势恢复位置。04. 讨论和结论0本文设计了一种静水压电活性软致动器0受章鱼横向肌肉的启发。我们探讨了典型激光切割机在一次运行中密封和切割致动器的油囊的应用，这比目前的HASEL致动器制造方法更方便[17-21]。0我们进行了激光加工实验，以评估0焊接。讨论了不同参数对焊接效果的影响。一般来说，在特定范围内，在相同功率下，随着激光移动速度的增加，焊接结果先增加后减小；在相同移动速度下，随着激光功率的增加，焊接结果先增加后减小。0在不同的几何条件下，纵向最大伸长值0通过改变元件的开口角、柔性电极的半径和激励电压来测试电极参数。获得了相对于电极形状和电压的伸长曲线，并讨论了这些曲线的关系和趋势。我们还对HESA的一个通道的几何形状进行了数学建模。此外，通过数学模型模拟，我们获得了接近实验结果的最佳尺寸参数。0对单个HESA致动器的测量。我们验证了致动器在半径方向实现收缩，同时具有较大的轴向伸长，类似于章鱼的横向肌肉运动。此外，我们将三个致动器叠放在一起，并通过对两个或三个通道施加电压，展示了不同频率下一叠致动器的伸长和弯曲运动。实现了章鱼横向肌肉的运动模式。未来，将基于这种类型的致动器探索横向肌肉恒定体积致动的益处。0根据良好的设计参数，我们进行了测量0作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系0声明无竞争利益0致谢0我们要向Cecilia Laschi教授表示诚挚的感谢0感谢CeciliaLaschi教授的指导和指导以及她在这项工作中的帮助。本工作得到了中国国家自然科学基金（92048302、91848206和T2121003）和中国国家重点研发计划（2019YFB1309600和2020YFB1313003）的支持。0附录A. 补充数据0与本文相关的补充材料可在网上找到0参考文献0[1] G. 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