基于高密度液态金属电磁线圈和双稳态可拉伸磁性外壳的软电磁人造肌肉

以下文章来源于液态金属FM ，作者gangsheng

电磁致动器具备便携、响应迅速和低电压驱动等综合优势。然而，目前电磁致动器存在需持续施加电压和致动力不足等问题。近日，首尔国立大学Yong-Lae Park等人利用高密度液态金属电磁线圈和双稳态磁性软外壳构建了一种软电磁人造肌肉（SEAM）。作者通过改变输入电流方向使液态金属线圈产生相反的电磁力，驱动双侧磁性软壳在两种稳态之间切换。此外，作者设计了两种SEAM，分别具有收缩-膨胀和双向振动行为，并通过建模和仿真优化了SEAM的参数，分析了各种力对SEAM运动状态的影响。同时，利用线圈的电感变化实现了SEAM的状态自我感知。最后，作者采用模块化设计展示了该SEAM在软体机器人领域的应用，包括爬行机器人、节能型抓手、多自由度软体操纵器和高频游泳机器人等。相关工作以“Soft Electromagnetic Artificial Muscles Using High-Density Liquid-Metal Solenoid Coils and Bistable Stretchable Magnetic Housings”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. 软电磁人工肌肉(SEAM)制动器。A)两种制动器及其双稳态的设计。B) SEAM的鲁棒性演示。C) SEAM在机器人领域的应用:爬行机器人、软体抓手、调节器、游泳机器人。

图2. SEAM-Ⅰ的设计和驱动原理。A)制动器的结构示意图。B)致动器的致动过程：a)膨胀状态，b)有电流输入时收缩，c)输入电流关断后仍保持收缩状态，d)输入反向电流时膨胀，e)输入电流关断后仍保持膨胀状态。C)致动器的自由体受力图(左)和力变化趋势的简化图(右上)，以及磁力与弹力的合力及其积分图(右下)。S1和S2是磁体和弹簧的面积差。

图3. SEAM-II的设计和驱动原理。A)制动器的结构示意图。B)致动器的致动过程:a)初始状态，b)有电流输入时切换到另一状态，c)转换后的状态在输入电流关断时仍保持电流形状，d)反向电流输入回到初始状态，e)输入电流关断时仍保持电流形状。C)制动器中不同力的变化趋势。

图4. 致动器组件。A)制动器部件

。B)不同磁性颗粒含量的可拉伸磁体的剩磁。C)两个磁铁之间的力随半径和高度的变化。D)电磁力与输入电流的关系的建模和实验结果。E)不同铁磁颗粒含量的铁磁硅胶的相对磁导率。F)铁磁硅胶与磁体在3.5 mm距离处的力随铁磁颗粒含量和高度的变化。G)液态金属线圈中心磁场测量，放大微流控线圈俯视图。SEAM-I(左)和SEAM-II(右)弹力随距离的变化模拟结果。(G)中的图例表示EcoFlex 00-30和Dragon Skin 10的重量比。

图5 . SEAM-Ⅰ 的双稳定性。A)吸引磁力和B)输入电流为6 A的电磁力的实验、仿真和建模结果。C)可伸缩壳体弹簧力的实验与仿真结果。(A-C)中的实验结果显示了五次实验测量值的平均值。D)通过各分量力之间的关系验证双稳定性。E)电流和制动器右侧磁体位移随时间变化曲线图。

图 6. SEAM-II双稳定性。实验与仿真结果A)铁磁性硅胶之间的吸引力B)施加6 A电流时铁磁涂层线圈的电磁力，以及C)可拉伸外壳的弹力。(A-C)中的实验结果显示了五次实验的测量值的平均值。D) 双稳态验证。E)电流和制动器右侧磁铁位移随着时间变化。

图7. SEAM-Ⅰ的表征。A)电感表征。B)SEAM两侧的磁铁相互吸引实现制动器串联。C)制动器的三种状态。D)不同输入条件下的驱动时间。E)制动器右侧磁体在50个驱动周期内的位移。F)振幅随电流频率的变化。

图8. SEAM-II的表征。A)不同电流的驱动时间。B)制动器右侧磁体在50个驱动周期内的位移。C)振幅随电流频率的变化。

图9. 该致动器在机器人领域的应用。A)三个SEAM-I模块实现爬行运动，具有三种运动状态：a)初始状态，b)前模块膨胀，c)前模块收缩后模块膨胀，d)中模块和后模块收缩。e)制动器位移随时间的变化。B)软夹持器，采用单个SEAM-I模块，软铁磁手指连接在两侧。a)附着在SEAM-I上的软铁磁指和双稳态转换。制动在有电流输入的时抓取物体，电流反向时释放物体。b)带有两个SEAM-I模块的软夹持器，能够夹持大型物体，其驱动原理与单模块驱动器相同。

图 10. 制动器在机器人领域的应用。A)采用6个SEAM-I模块的多自由度机械手，用于水下操作。a)底部附有末端制动器的机械手。b-f)抓手方向随着制动器模块部分的膨胀或收缩而变化，如图中白色(膨胀)和红色(收缩)所示。B) SEAM-II的单个模块作为血管状游泳机器人。a)游泳机器人的基本结构，一层薄薄的柔性塑料薄膜作为尾巴附着在致动器的两侧。b)初始状态。c,d)尾巴的弯曲方向取决于输入电流的方向。e,f)游泳机器人的位移随时间的关系。

文章信息：

Shin, G. et al. Soft Electromagnetic Artificial Muscles Using High‐Density Liquid‐Metal Solenoid Coils and Bistable Stretchable Magnetic Housings. Advanced Functional Materials (2023). https://doi.org:10.1002/adfm.202302895

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