Stacked electrohydrodynamic pumps with densely perforated electrodes
本研究提出了一种具有致密穿孔电极的轻量化、可堆叠电流体动力泵，该泵实现了创纪录的 55.0 W/kg 功率密度并显著增强了流量与压力性能，证明了其在驱动软体机器人系统方面的有效性。
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想象一个机器不再依靠电机、齿轮或电池驱动，而是通过电流在液体中的静默推动来运动的世界。这是电流体动力学（electrohydrodynamics）的领域，科学家们利用高压电来搅拌流体并创造运动。在标准设置中，两个电极置于一种非导电液体中。当施加强电场时，电场会从某些流体分子中剥离电子，使其带上正电荷。这些带电分子随后被拉向负电极。在它们横跨间隙疾驰的过程中，会带动周围的中性流体随之移动，从而产生稳定的流动。这种工艺为机器人技术提供了一个独特的优势：它不需要任何机械运动部件，使得由此产生的泵既安静、又极其薄，且易于缩小到微小尺寸。几十年来，研究人员一直试图让这些泵变得足够强大，以驱动那些能够模仿生物轻柔动作的柔软、柔韧机器人，但如何在不增加体积的情况下提升其强度，一直是一个棘手的挑战。
来自日本电气通信大学的一支研究团队，与三菱化学的工程师合作，通过重新设计这些泵的核心结构，取得了重大进展。他们没有依赖单层电极，而是开发了一种像叠扑克牌一样堆叠多个层的方法，创造出一种既轻便又异常强大的泵。他们的创新之处在于如何构建这些层。他们并非将电极和绝缘材料作为独立的部件进行组装和对齐，而是像日常电子产品中的电路板一样，将电极直接蚀刻在单层薄薄的绝缘片两侧。随后，他们在整个“三明治”结构上冲压出数千个微小的孔洞。这种“密集穿孔”的设计使得电场能够同时作用于每一个孔洞边缘的流体，从而在极小的空间内倍增产生的力量。
研究人员通过制造具有不同层数、不同孔径和不同孔密度的泵，对他们的新设计进行了测试。他们发现，仅仅通过堆叠更多的层，就能让泵的推力更强，压力几乎与增加的层数成正比。与此同时，增大孔径可以让更多流体通过，从而提高流速。通过仔细平衡这些因素，他们制造出了一个重量仅为0.64克、却能带动大量流体的五层泵。这个微型装置实现了2041.0毫升/分钟的最大流速，并能产生9.3千帕的压力。或许最令人印象深刻的是，如果按其自身重量所能做的功来衡量，该泵的功率密度达到了55.0瓦/千克。这一数字代表了比以往同类型泵高出九十多倍的提升，有效地解决了如何从轻量化固态器件中获得高性能的长期难题。
为了证明这项技术已准备好投入实际应用，团队将他们的新型泵连接到了软体机器人设备上。他们用同一种介电液体填充了该泵和两种不同类型的软体执行器。当施加电压时，泵将液体压入执行器中，从而引起它们的运动。在一项测试中，该泵成功使一个由硅胶和织物制成的人工肌肉收缩，产生的力量足以提起小重物。在另一项测试中，它使一个柔软的充液手臂发生弯曲。最后，通过将两个这样的弯曲臂组合成一个简单的抓取器，该系统能够抓取并握住球形和立方体的小物体。这些演示表明，该泵不仅仅是实验室里的奇珍异物，而是一种能够驱动复杂、柔性机器的多功能动力源。研究人员指出，虽然该泵在数小时的运行中保持稳定，但未来的工作将集中在通过测试不同的流体以及优化堆叠层之间的间距，使其响应更加灵敏。不过就目前而言，这种全新的堆叠设计为构建像自然界那样安静、高效且强大的软体机器人开辟了一条清晰的路径。
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