为面向柔性智能机器人生产需求,针对液态金属电磁响应柔性致动器在制备工艺复杂、低电流驱动性能不足的技术难题。近期,由西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室微纳仿生制造团队李国强教授和中国科学技术大学微纳米工程实验室胡衍雷教授合作报道了一种高性能电磁响应柔性致动器。研究成果以《High-performance liquid metal electromagnetic actuator fabricated by femtosecond laser》为题发表在期刊《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上。该期刊是一本多学科交叉融合的国际期刊,影响因子14.7,位列全球工程制造领域第一,JCR、中科院分区双一区。论文第一作者为我院青年教师陈羿宇,我院李国强教授、中国科大胡衍雷教授为论文共同通讯作者。
基于液态金属(Liquid metal)电路的电磁响应柔性致动器具有响应快、易操控的特点,在柔性制造、目标搬运、靶向给药、非入侵手术等领域具有广泛的应用前景。对于电磁柔性致动器而言,液态金属电路如同神经和血管,以电为载体传递信号和能量。然而,基于液态金属的小尺寸电磁响应柔性致动器主要存在两大挑战:(1)难以快速灵活地加工超薄液态金属电路图案(厚度不高于50 μm);(2)难以在较低电流的工作环境下(电流不高于1.0 A)实现高性能驱动。
本研究探索并展示了飞秒激光在柔性基材表面微结构可控制备中的更多潜力。基于飞秒激光微纳烧蚀工艺对表面粗糙度的灵活调控,可以有效控制其表面微纳形貌对液态金属的粘附性,以实现任意电路图案的快速制备。基于低杨氏模量硅橡胶材料,开发了一种结构简单、能够在低驱动电流下实现超高响应角速度(284.66 rad s-1)和超宽形变范围(265.25°)的高鲁棒稳定电磁响应柔性微板致动器(Soft micro-plate actuator,SMPA)。在此基础上,发展了由微板致动器组成的仿生柔性抓手,展示了包括快速截取移动目标,转移小型生物样品,以及灵活抓取不同体积大小、酸碱性液滴的功能应用。
本研究所采用的飞秒激光诱导液态金属转印的图案化工艺适用材料范围广,能够加工任意图案,精度极高、加工灵活且流程简单快捷,能够极大提升液态金属柔性致动器的研制效率。论文研究结果对于启发新的高性能响应式液态金属柔性致动器以及开发新一代小尺寸柔性机器人具有重要的参考价值。