基于介電驅(qū)動(dòng)的3D打印軟體魚

主要介紹的是基于介電驅(qū)動(dòng)的3D打印軟體魚，這種介電驅(qū)動(dòng)的軟體魚采用全軟TPU材料，并且利用介電薄膜的大變形進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有速度快、制作簡(jiǎn)易、零噪聲、人體親和性高的特點(diǎn)。此外，利用3D打印實(shí)現(xiàn)了介電薄膜和TPU基體的一體化成型，實(shí)現(xiàn)高自由度的運(yùn)動(dòng)空間。這樣不僅減少了設(shè)計(jì)階段的時(shí)間，也簡(jiǎn)化了制作和優(yōu)化的過程，極大提高了軟體器件的設(shè)計(jì)效率，而且美觀度要優(yōu)于傳統(tǒng)的注模成型。

魚的結(jié)構(gòu)形狀是模仿于海洋中的鰩魚，整體主要靠雙翼的拍動(dòng)向前游動(dòng)，因此雙翼的動(dòng)力提供顯得尤為重要。因?yàn)椴煌诙鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，介電驅(qū)動(dòng)靠的是介電薄膜的收縮擴(kuò)張?zhí)峁﹦?dòng)力，屬于平面內(nèi)的變形，因此就要設(shè)法將平面內(nèi)的變形轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直方向的擺動(dòng)。這里我們采用的方法是在軟體魚的軀干內(nèi)放置介電薄膜，空出需要驅(qū)動(dòng)的部分，利用軀體部分的收縮帶動(dòng)雙翼的上下擺動(dòng)。由于介電薄膜預(yù)先經(jīng)過預(yù)拉伸，因此在粘附在軟體魚上時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致整體會(huì)在雙翼方向產(chǎn)生彎曲，形成“弓字型”的形態(tài)，這樣只需要較小的驅(qū)動(dòng)力就可以獲得較大的擺幅。

驅(qū)動(dòng)部分的形狀采取了圓環(huán)狀，長(zhǎng)寬比大致是5：4，具體數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際彎曲情況進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)增加圓環(huán)在雙翼方向上的尺寸有利于整體彎曲。此外，軟體魚的整體厚度取為4ｍｍ，這是整體彎曲最關(guān)鍵的參數(shù)，厚度過大會(huì)造成彎曲過小，擺幅下降；厚度過小會(huì)造成彎曲過大，擺動(dòng)阻力上升，因此經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)4ｍｍ的厚度符合最佳的游動(dòng)效果，此次3D打印快速化正好為參數(shù)的修改提供了便捷的因素。

一般的介電驅(qū)動(dòng)是在空氣環(huán)境中，因此在預(yù)拉伸的介電薄膜兩側(cè)涂上碳膏電極用于連接高壓電源的正負(fù)極，類似于電容器的工作原理，電子會(huì)聚集在薄膜兩側(cè)，在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，薄膜會(huì)在厚度方向變小，相應(yīng)的在平面方向變大。由于大部分的智能器件是在空氣中，因此都采用“碳膏-VHB-碳膏”的形式，如果多層薄膜的話在一層基礎(chǔ)上往上疊加。由于軟體魚是工作在水中，VHB薄膜的兩端都要浸入水中，因此如果采取傳統(tǒng)的雙面涂上碳膏電極的方式會(huì)造成正負(fù)極短路。因此這里采用了一種“VHB-碳膏-VHB”的三明治結(jié)構(gòu)，以帶離子水為負(fù)極，碳膏夾在兩張VHB薄膜之間，以其作為正極，這樣成功避免了短路，兩層薄膜也增大了驅(qū)動(dòng)的力度。

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