基于IPMC仿生机器鱼驱动技术研究

卞长生, 白万发, 朱子才, 汝 杰, 陈花玲



基于IPMC仿生机器鱼驱动技术研究

卞长生, 白万发, 朱子才, 汝 杰, 陈花玲

(西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安, 710049)

离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种基于离子迁移运动的柔性智能材料。由于这种材料在低电压作用下能够产生弯曲变形, 适用于水下仿生机器鱼的摆动驱动结构, 因此基于IPMC的仿生机器鱼驱动技术成为了研究的一大热点。文中分析了基于柔性智能材料仿生机器鱼的研究现状, 发现基于IPMC的仿生机器鱼整体驱动性能较差, 存在游动速度慢、载荷能力低等缺点。这主要是由于材料自身输出力小, 叠层结构效率低等固有缺点造成的。因此, 为了提高仿生机器鱼的整体性能, 扩大其应用范围, 文中以驱动材料的整体性能匹配仿生机器鱼的驱动需求, 从驱动材料角度提出3种可用于仿生机器鱼的驱动技术: 基于醇辅助工艺的超厚型大驱动力IPMC、基于脉冲高电压驱动的IPMC快速响应驱动技术以及空间叠层结构驱动技术。同时通过对比实验进一步证明这些技术可以有效提高IPMC驱动材料的整体输出力、响应速度和空间叠层结构的叠加效率, 为基于IPMC仿生机器鱼的驱动结构研究提供了参考。

仿生机器鱼; 离子聚合物金属复合材料; 驱动技术; 快速响应; 空间叠层结构

0 引言

随着人类对海洋开发利用的脚步加快, 水下环境和资源的科学探索技术正快速发展, 水下仿生机器鱼已成为目前科学研究热点之一。随着仿生学、材料学和软体机构学的发展, 采用智能材料和结构驱动的仿生机器鱼逐步成为发展趋势[1-3](见图1)。相对于传统采用电机驱动的机器鱼, 其具有结构简单, 动作柔顺, 推进效率高, 低噪声, 高机动性等优势, 因此这类机器鱼在海洋资源探索、环境监测、生物观测、考古打捞和军事搜索侦察等领域具有广泛的应用价值和前景[4-5]。

图1 仿生机器鱼发展趋势

由于离子型聚合物金属复合材料(ionic polymer-metal composites, IPMC)具有大的弯曲变形能力, 因此能够直接模拟水下生物的连续大摆动运动; 其驱动电压低, 水下工作安全性高; 其能耗低, 适用于长时间工作; 并且IPMC是一种水基驱动器, 其驱动性能不受水压影响, 能直接用于水下环境。基于以上因素, IPMC材料在水下仿生机器鱼的应用领域具有显著而独特的优势。

基于IPMC驱动仿生机器鱼的推进模式可以分为3类[3,6]: 身体/尾鳍(body and/or caudal fin, BCF)推进模式、中间鳍/对鳍(median and/or paired fin, MPF)推进模式和喷射式推进(jet propulsion)模式。由于BCF推进机器鱼的结构简单、推进效率高、速度快, 其研究最早也最为广泛。最常见的结构是由刚性鱼体、IPMC驱动尾部及被动尾鳍3段构成。早在2005年, 日本EAMEX公司就已经推出一种观赏型的机器鱼产品。为了提高这种构型机器人的性能或速度, 国内外不少学者对其开展了广泛的研究。密西根州立大学的Tan团队[7]和内华达大学的Kim研究组[8], 日本香川大学的郭书祥研究组[9]和EAMEX公司, 国内北京航空航天大学[10]、东北大学[11]和哈尔滨工程大学[12]相关课题组等。其中, 图2(a)是Tan等[7]对尾鳍推进构型机器人进行的研究结果, 其游动速度可达20 mm/s; 图(b)中McGovern等[13]采用2片分布式驱动, 最大速度可达33 mm/s; 一些学者还通过减小尺寸和质量来减少阻力, 目的是提高机器鱼的推进速度[14-16], 图(c)中Shen等[14]报道了一种仿海豚机器鱼, 最大游速可达46 mm/s; 还有一些学者尝试模拟鳗鱼的游动方式, 采用尾部和身体的整体摆动形成波动来提高游动速度, 例如图(d)中Takagi等[17]的研究能够成功实现这一推进原理, 但实验中这类机器鱼游动最大速度为10 mm/s, 其驱动效率整体上要低于普通尾部推进机器鱼。

图2 离子型聚合物金属复合材料(IPMC)驱动的身体/尾鳍推进型仿生机器鱼

MPF推进机器鱼的结构具有良好的机动性能和姿态控制能力。一些学者采用尾部推进与对鳍控制结合的方法驱动机器鱼。对鳍推进在一定程度上能够提高游动速度, 例如: 苏玉东等[9]采用类似尾鳍驱动的一对胸鳍辅助推进, 最大速度达23 mm/s; 其也能提高操控性能, 如图3(a)所示, Hubbard等[18]提出的尾部与对鳍结合推进的机器鱼中, 每片对鳍采用了2片分布式IPMC, 施加不同电压, 鳍面产生的扭转变形可以控制运动方向, 该机器鱼速度可达28 mm/s。而另一些学者进行了更大胆的尝试, 通过对鳐鱼的模拟, 利用对鳍波动既可以推进机器鱼, 又可以通过2只鳍的差异化驱动控制其姿态和运动方向。Punning[19]和Chen等[20]先后提出了采用分布式多片IPMC材料来驱动仿鳐鱼机器鱼, 如图3(b)所示, 它们通过柔软的弹性膜连接各个IPMC驱动器形成控制面, 不同驱动材料的弯曲变形间隔一定相位差, 从而在控制面上形成三维的波动变形达到控制姿 态的目的, 但是这种机器鱼的游动速度很慢, 最大速度为4.2 mm/s。Chen等[21]后来对这一结构进行改进, 采用连续的整体三角形对鳍, 如图3(c)所示, 使速度提高到7.4 mm/s。Takagi等[22]通过进一步放大机器鱼的尺寸并利用多个IPMC驱动, 使机器鱼最大速度达到16 mm/s, 如图3(d)所示。这些研究案例均能大致模拟MPF推进的运动形状, 然而, 分布式IPMC仿生鱼鳍实质上仍然为单片IPMC驱动, 单位面积驱动力很小, 鳍面扭转变形或者对鳍差异化驱动产生的扭矩都很小, 姿态和方向操控性差, 因此, 现有研究距离发展快速游动的MPF推进机器鱼的目标相距甚远。

图3 IPMC驱动的中间鳍/对鳍推进型仿生机器鱼

此外, Guo等[23]结合形状记忆合金丝和IPMC的特点开发了一种仿水母水下机器鱼, 其沉浮速度达6 mm/s; Yeom等[24]基于IPMC也开发了一种仿水母机器鱼, 研究了驱动器初始形状和驱动器之间的连接材料对驱动性能的影响, 其沉浮速度最大为2 mm/s; Guo等[25]还研究了仿螃蟹混合爬行和游动功能的水下机器鱼, 其行走速度最大为8 mm/s。

基于IPMC材料驱动的柔性仿生机器鱼已经有不少研究, 但总的来说, 其游动速度较慢, 每秒一般不超过0.5个体长[26]。这与自然界鱼类的性能具有很大差距, 从而很大程度上限制了其在相关工程和军事领域的应用。这主要是因为驱动结构整体的输出力较小, 驱动结构不够理想。

1 IPMC概述

IPMC是一种基于离子迁移运动的电致动聚合物(electroactive polymer, EAP)[27-29]。如图4所示, IPMC是一种由导电金属电极、聚合物基体膜(常为Nafion膜或Flemion膜)、可移动阳离子和溶剂分子4种组分构成的三明治结构材料。当给IPMC施加电压(通常为1~5 V)时, 其基体膜内的可移动阳离子会带着溶剂分子向材料的阴极迁移, 这使得水合阳离子沿材料厚度方向产生不均匀分布。在水合阳离子对基体膜的溶胀支撑作用下, 其不均匀分布会导致IPMC材料在阴极区域发生膨胀、阳极发生收缩, 进而使IPMC材料产生宏观的弯曲变形[26]。

图4 IPMC的组成结构和典型样品在不同电压下的弯曲变形效果

与传统机械结构相比, IPMC在电压作用下能直接产生弯曲变形, 其结构简单、质量轻、无噪声。与其他EAP材料相比, 其具有弯曲变形大、响应迅速、柔性好、驱动电压低等特点, 因此, 其被认为是一种具有广泛前景的新型电活性材料[30]。不同智能材料特性如表1所示。

表1 不同智能材料特性

但传统单层IPMC仍然存在输出力不足, 响应速度慢, 弯曲驱动器的多层叠加结构效率低下等问题, 这都限制了IPMC的应用潜力。目前, 学者对IPMC的研究主要通过优化制备工艺参数, 改变影响驱动效果的因素以及设计合理的驱动结构等几个方面来改善IPMC整体的驱动性能, 从而扩展其应用范围[31]。

2 应用于仿生机器鱼驱动的IPMC技术

为了改善现有基于IPMC驱动的仿生机器鱼游速较慢的问题, 针对材料输出力不足以及驱动结构不理想等问题提出以下可应用于仿生机器鱼驱动的IPMC技术, 即: 提高输出力的醇辅助工艺超厚型IPMC; 提高超厚型IPMC响应速度的脉冲高电压驱动技术以及优化驱动结构的空间叠层IPMC驱动器。

2.1 基于醇辅助工艺的超厚型IPMC

传统IPMC一般采用0.2 mm厚的Nafion膜为基体膜。其基本工艺包括材料预处理(粗化基体膜表面以提高界面面积, 增加电极与基体膜的结合性能)、浸泡还原镀(初步生成金属表面电极和渗入电极)和化学镀(进一步降低电极表面电阻)和材料后处理(置换驱动离子)4个过程。采用传统基体膜和传统工艺的IPMC较薄, 其刚性较小, 虽然其具有较大的弯曲变形能力(大于±180º)但其输出力不足。对于仿生机器鱼的驱动机构而言, 其不需要过大的弯曲变形能力。而更大的驱动力能够有效地提高机器鱼的游动速度。因此, 提出采用国产东岳公司1 mm厚离子交换膜和醇辅助工艺改进的超厚型IPMC。

1) 作用原理

相比于传统的Nafion膜, 东岳公司生产的厚度为1 mm离子交换膜具有更大的厚度, 从而具有更大的弯曲刚度。基于此膜制备出来的IPMC具有更大的输出力。渗入电极对材料性能具有较大的影响, 其渗入层越深, IPMC的驱动效果越好。异丙醇对离子交换膜的高分子链具有溶胀作用, 以异丙醇作为辅助试剂可以使离子交换膜在浸泡还原镀过程中能够形成更深的渗入电极。从而可以有效地改善超厚型IPMC材料弯曲能力下降的问题。最终得到大驱动力和不错弯曲变形能力的IPMC材料。

2) 实验效果

将采用醇辅助工艺制备的超厚型IPMC切割为7 mm宽的样片, 并采用图5所示实验平台对材料的弯曲变形和输出力进行测试。

图5 实验平台和弯曲变形、输出力测试示意图

弯曲变形测试样片的长宽厚尺寸为50 mm×7 mm×1 mm, 夹持长度为5 mm, 弯曲变形测点距夹持端20 mm, 如图5(a)所示。测试电压为4 V, 频率为0.1 Hz, 其弯曲变形随时间的响应如图6所示。可以看出, 加载电压后, IPMC随着交流驱动电压产生往复弯曲变形, 其最大弯曲变形可达9.5 mm, 其弯曲角度超过±30º。相对于传统IPMC, 其弯曲变形有所减小, 这主要是由于材料增厚, 驱动材料弯曲所需的应变增大导致。但对于水下仿生机器鱼的摆动推进方式, 这种变形能力已经足够。

图6 4V电压下弯曲变形随时间变化曲线

输出力测试样片的长宽厚尺寸为50 mm× 7 mm×1 mm, 夹持长度为5 mm, 驱动力测点为20 mm, 如图5(b)所示。测试电压为4 V, 测试时间65 s, 实验采用3个样品(s1~s3)。其驱动力随时间变化的关系如图7所示。可以看到, 加载电压后, IPMC的驱动力随着时间一开始迅速增长, 随后逐渐达到最大值。经多次测试, 其驱动力最可达14.9 gf左右。相对于传统IPMC, 其驱动力的提升达到2个量级。这对于IPMC仿生机器鱼的推进机构是至关重要的。

图7 4V电压下驱动力随时间变化曲线

从结果来看, 基于醇辅助工艺制备的1 mm超厚型IPMC能够极大地提高输出力, 且其弯曲变形能力与仿生机器鱼的推进需求能够较好地匹配, 相较于传统IPMC表现出极大的优势。

2.2 基于脉冲高电压驱动的IPMC快速响应驱动技术

超厚型IPMC具有大的输出力与良好的弯曲变形能力, 但随着材料厚度的增加, 材料内部驱动离子的运动距离增长, 其机-电响应速度明显降低。而对于仿生机器鱼的驱动结构而言, 除了需要一定的弯曲变形能力与良好输出力外, 也需要快速响应能力。因此, 为了提高超厚型IPMC的响应速度, 可以采用脉冲高电压驱动技术。

1) 理论原理

高驱动电压能够提高驱动离子的迁移速度, 从而提高超厚型IPMC的响应速度, 但驱动电压过高会使离子交换膜内的水发生电解, 进而使材料发生电解失效。传统理论认为, 在不发生电解的最高安全电压下, IPMC具有最大的响应速度。然而, 通过研究IPMC的电压分布规律和水的电解规律, 发现以下几个关键点: 首先, 水的电解主要发生在电极-聚合物界面上, 它包含阴极反应和阳极反应2个“半反应”。在一定电压下, 电子可以在电极和聚合物中的离子之间发生转移。当界面电压降高于其中1个“半反应”的临界电压时, 则界面处将发生电解反应。其次, 根据离子型电制动聚合物材料(ionic EAP, iEAP)典型的多物理模型, 当给IPMC施加某一电压时, 电势在材料厚度方向的分布将随着时间发生如图8所示的变化。即开始加载电压时(=0 s), 分布电势与厚度成线性关系。随着时间增长, 可移动的阳离子在初始电压作用下向阴极迁移, 同时阳离子的再分布会产生内置电场并改变原有的电势曲线。这个过程会使电极和聚合物界面处的电势降变大并趋于稳定。

图8 阳离子随时间向阴极迁移以及电压分布过程

根据以上两点, 当施加高电压时, 阳离子在外加电压下发生迁移运动, IPMC电极与聚合物界面处的电势降会随着阳离子的迁移而逐渐变大, 当分布后的电势降大于水的电解电势时, 材料才会发生电解破坏。由此可以得出结论: 电解电势降的形成需要时间, 水的电解不会在加载电压时立即发生。据此理论, 提出利用脉冲高电压驱动技术提高超厚型IPMC的响应速度, 即, 利用高电压对超厚型IPMC进行驱动, 在界面电势降的积累超过电解电势之前(即水解发生之前)将驱动电压降低到安全范围内, 这样既可以有效提高其响应速度, 又可以防止材料发生电解破坏。

2) 实验效果

将采用醇辅助工艺制备的超厚型IPMC切割为25 mm×5 mm×1 mm的样片, 并采用图5所示实验平台对响应速度进行测试, 其夹持长度为5 mm, 弯曲变形测点距夹持端15 mm。

首先测定了样品在1.5 V下的弯曲变形, 并以1.5 V下超厚型IPMC的稳定变形作为参考, 依次采用2.0 V和4.0 V的高电压对样片进行激励, 当样片的弯曲变形到达1.5 V下的稳定弯曲变形时, 则将激励电压降为1.5 V, 使其保持稳定的弯曲变形状态。每次测试的时间为75 s。由于环境温度和湿度对材料的弯曲变形影响较大。每次测试间隔20 min, 以使测试样片回复至初始位置, 并且和环境充分进行湿度和温度交换。其结果如图9所示。

图9 不同脉冲高电压激励下IPMC的弯曲变形

从图中可以看到, 在1.5 V直流电压作用下, 样片的变形速度较为缓慢, 其在约75 s的时候达到约0.4 mm的稳定弯曲变形状态。而当施加脉冲电压时, 其弯曲变形非常迅速地达到0.4 mm, 随着电压降低为1.5 V, 样片的弯曲变形能够保持稳定。当加载2.0 V脉冲高电压时, 其到达稳定弯曲变形的时间大约为5.5 s, 响应速度大约为初始的13.6倍; 当加载4.0 V脉冲电压时, 其达到稳定弯曲变形的时间只要约0.8 s, 响应速度为初始的93.8倍。

为了验证脉冲高电压激励方式的安全性, 进行了破坏性测试。测试中, 每秒给样片施加一次0.1 s的6 V高电压, 一共持续1 000 s(即加高压时间100 s)。经过实验, 在脉冲高电压激励下, 材料没有出现明显的电解现象。而当直接施加直流6 V高电压时, 材料会出现明显的电解反应, 其电极40 s内就会发生破坏。这进一步证明了脉冲高电压驱动理论的正确性。

通过实验证明了脉冲驱动技术可以有效地提高超厚型IPMC的响应速度, 并且可以有效避免材料因驱动电压过高而发生电解破坏。这对于提高基于超厚型IPMC驱动的仿生机器鱼的性能具有非常重要的意义。

2.3 基于空间叠层IPMC驱动器的鱼尾结构设计

目前, 对基于IPMC驱动的BCF推进结构仿生机器鱼而言, 其驱动结构均采用单片IPMC驱动。由于单片材料驱动力有限, 为提高仿生机器鱼的性能, 可以采用空间叠层的驱动结构将多片材料有效叠加起来以增加机器鱼的推进力。

1) 结构原理

如图10(a)所示, 一般的IPMC叠层结构主要采用串联或并联结构。对于串联或并联结构, 驱动器在弯曲时, IPMC单元之间必然存在切向约束,从而影响其弯曲变形。从现有文献[32-34]来看, 随着叠加层数的增加, 其叠加效率越低, 一般不超过60%。如图10(b)所示, 空间叠层机构通过结构设计方式将多片IPMC在空间布置起来, 这样利用其弯曲变形的特点可以将输出力有效的叠加起来, 同时也可以避免材料之间的切向约束, 提高叠层结构的整体效率。

图10 传统叠层结构和空间叠层结构

2) 实验效果

实验对3层40 mm×5 mm×0.2 mm的IPMC空间叠层结构进行了初步验证, 如图11所示。在弯曲变形测试中, 其驱动电压为3 V, 频率0.02 Hz, 测点距夹持端20 mm(见图5(a))。在输出力测试中, 测试电压为3 V直流电压, 测点距夹持端30 mm(见图5 (b))。其弯曲变形的峰峰值和最大输出力的结果统计见表2。

图11 3层IPMC空间叠层结构

表2 单层IPMC与空间叠层IPMC的弯曲变形峰峰值、最大输出力及叠加效率对比

从实验效果来看, 其输出力和弯曲变形的叠加效率可以达到80%以上, 初步证明了空间叠层结构的有效性。

空间叠层结构能够高效叠加多层IPMC的输出力和弯曲变形。相对于目前单片IPMC驱动仿生机器鱼而言, 将赋予机器鱼更好的整体性能。

3 结束语

文中总结了现有基于IPMC驱动的仿生机器鱼结构, 分析了其驱动形式及其优缺点。针对现有机器鱼驱动力小, 驱动结构简单等问题, 提出基于醇辅助工艺的超厚型IPMC、基于脉冲高电压驱动的IPMC快速响应驱动技术以及基于空间叠层IPMC驱动器的鱼尾结构。这样通过提高材料的输出力、响应速度和叠加效率的方式, 能够有效提高机器鱼整体的驱动性能。文中仅对这3种技术做出简要介绍, 仍有待进一步深入研究。比如, 醇辅助工艺中异丙醇含量、添加方式与性能的关系; 对于快速响应驱动技术, 文中采用的是电压脉冲的方式, 但由于IPMC是基于离子迁移运动的材料, 因此可以对脉冲迁移的电流进行进一步的研究并加以控制; 而对于空间叠层结构, 多片超厚型材料的叠加结构仍有待进一步的研究; 而后续研究也需要将这3种技术在仿生机器鱼中有机的集成起来, 使仿生机器鱼具有更快的游动速度和负载能力。

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Research on Actuating Technology of IPMC-Based Biomimetic Robotic Fish

BIAN Chang-sheng, BAI Wan-fa, ZHU Zi-Cai, RU Jie, CHEN Hua-ling

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An ionic polymer-metal composite(IPMC) is suitable for the swing actuating structure of a biomimetic robotic fish because it is able to produce bending deformation under low voltage. In this paper, the research status of a biomimetic robotic fish based on soft smart materials is analyzed. It shows that actuating performance of the IPMC-based biomimetic robotic fish is unsatisfactory, such as slow speed and low load capacity, which are due to poor output force and low efficiency of the stacking structure. In order to improve the performance of the biomimetic robotic fish and widen its application, this paper matches overall performance of IPMC with the actuating demand of the biomimetic robotic fish. From the perspective of the materials, three actuating technologies for the biomimetic robotic fish are proposed as follows: the ultra-thick and large actuating force IPMC based on alcohol-assisted process; the fast response technology of IPMC based on impulsive voltage; and the spatial stacking structure actuating technology. Contrast experiments prove that these technologies can effectively improve the overall output force, the response speed, and the spatial stacking structure of stacking efficiency for IPMC actuating material. This study may provide a reference for the actuating structure design of the biomimetic robotic fish.

biomimetic robotic fish; ionic polymer-metal composite(IPMC); actuating technology; fast response; spatial stacking structure

TP242; TB381

A

2096-3920(2019)02-0149-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.02.005

卞长生, 白万发, 朱子才, 等. 基于IPMC仿生机器鱼驱动技术研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(2): 149-156.

2018-10-12;

2019-01-20.

卞长生(1990-), 男, 在读博士, 研究方向为智能材料和职能结构.

(责任编辑: 许 妍)