是什么讓這條軟體機(jī)器魚優(yōu)哉游哉？
圖 | 軟體機(jī)器魚（來源：受訪者）
又是什么讓這款機(jī)器人小車滾滾前行？
圖 | 機(jī)器人小車（來源：受訪者）
雖然一個(gè)是 “魚”、一個(gè)是車，看似風(fēng)馬牛不相及，但它們有著共同的 “機(jī)器心臟”—— 柔性電液泵。
圖 | 柔性電液泵（來源：受訪者）
該“心臟” 由浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄒俊課題組設(shè)計(jì)，也是世界首個(gè)可通過自身液體自愈的柔性電液泵。
他告訴 DeepTech，研究靈感來自于蜘蛛，其體內(nèi)含有一套獨(dú)特的生物液壓系統(tǒng)，蜘蛛心臟是核心動(dòng)力部件，通過心臟把血淋巴泵送到腿部，血淋巴的液壓能量、就能轉(zhuǎn)換為腿部的敏捷運(yùn)動(dòng)。
此外，蜘蛛的自然進(jìn)化，可讓血淋巴主動(dòng)對受損組織、或皮膚進(jìn)行自修復(fù)，從而極大提高環(huán)境適應(yīng)力。
圖 | 柔性電液泵的結(jié)構(gòu)、原理以及自愈（來源：受訪者）
鄒俊表示：“一直以來，跑冒滴漏和噪聲問題，是液壓系統(tǒng)的頑疾，這嚴(yán)重制約了液壓系統(tǒng)的應(yīng)用。”
此外，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)由于便攜性差，使用時(shí)非常受限。那么能否研究出一種液壓泵，其功能類似于蜘蛛心臟，既能驅(qū)動(dòng)又能自愈呢？
圖 | 蜘蛛心臟位置（來源：受訪者）
受此啟發(fā)，他和團(tuán)隊(duì)研發(fā)出這款柔性電液泵，通過電場就能實(shí)現(xiàn)介電液的靜音泵送，還可通過在液體中添加自愈因子，實(shí)現(xiàn)破損和滲漏區(qū)域的自我修復(fù)。
4 月 14 日，Nature Communications報(bào)道了這一研究成果，論文標(biāo)題為 “Customizing a self-healing soft pump for robot”。其中，浙江大學(xué)博士研究生唐威為論文第一作者，張超副研究員和鄒俊教授為論文通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來源：受訪者）
當(dāng)古老的桐油遇見科學(xué)
據(jù)鄒俊介紹，無需移動(dòng)部件，柔性電液泵就能實(shí)現(xiàn)液體的運(yùn)動(dòng)與操控。
其主要構(gòu)件包括：一個(gè)帶有四個(gè)圓孔的柔性環(huán)電極、兩個(gè)帶有四個(gè)針的柔性針電極、兩個(gè)絕緣電極支架、和一個(gè)絕緣彈性體外殼。
圖 | 柔性電液泵的基本結(jié)構(gòu)（來源：受訪者）
研究中他和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由柔性硅橡膠材料制成的針孔電極對，可實(shí)現(xiàn)電流體的動(dòng)力輸出，基于此他和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了由全柔性材料制作的柔性電液泵。
為了實(shí)現(xiàn)類似蜘蛛血液的自愈功能，他改進(jìn)了柔性電液泵泵送的電響應(yīng)介電液體，并在其中均勻融入桐油液體。
這樣可讓電響應(yīng)介電液體、蛻變成一種可修復(fù)破損硅膠外殼的自愈性液體，從而實(shí)現(xiàn)液體泵送和自我修復(fù)的雙重功能。
圖 | 戳破外殼來進(jìn)行自愈能力檢測（來源：受訪者）
其中，中國古人就在使用的桐油，在研究中起到了重要作用。
桐油是一種干性油，它由氧鍵脂肪羧酸殘基和活性共軛碳 - 碳雙鍵組成，因此具有優(yōu)良的固化性能，其在空氣中會(huì)固化成膜，并可用于修復(fù)受損的柔性材料。
因此，基于桐油改進(jìn)后的功能液體，不僅具備電流體的驅(qū)動(dòng)性能，又具備桐油的修復(fù)功能，柔性材料再也無懼損壞。
圖 | 被戳破后的流體具備自愈功能（來源：受訪者）
改進(jìn)后的功能液體，全名叫癸二酸二丁酯 - 桐油溶液，里面均勻地溶解著桐油。
圖 | 柔性電液泵自愈液體治療損傷的示意圖（來源：受訪者）
當(dāng)桐油暴露在空氣中時(shí)，由于活性共軛碳 - 碳雙鍵很容易和氧氣結(jié)合，因此會(huì)被和氧連接的脂肪羧酸殘基吸收，從而引發(fā)均聚反應(yīng)，最終會(huì)形成固體膜。
當(dāng)柔性材料受到損傷時(shí)，泵內(nèi)自愈液會(huì)暴露在空氣中，凝固后即可自動(dòng)修復(fù)損傷。修復(fù)完成后，泵不僅能恢復(fù)正常工作，而且不發(fā)生任何泄漏。
圖 | 功能性液體的自愈能力（來源：受訪者）
同時(shí)，受損后的自愈材料，其原來的特征也可得到保留。
具體來說，在 20℃ 時(shí)，自愈膜的儲(chǔ)能模量為~14.3kpa，在 25℃ 時(shí)為~13.2kpa，在 30℃ 時(shí)為~10.6kpa。
在以上三種溫度下，自愈膜的損耗模量分別為 3.1 kPa、 2.5 kPa 和 2.1 kPa。由此可見，能量損失非常少。
圖 | 自愈膜的儲(chǔ)能模量及損耗模量測試（來源：受訪者）
為了進(jìn)一步驗(yàn)證自愈膜、和硅橡膠膜之間的粘附性能，鄒俊對這兩種膜進(jìn)行了重復(fù)拉伸試驗(yàn)。
把硅橡膠膜以每次 20% 的應(yīng)變、重復(fù)拉伸 200 次后發(fā)現(xiàn)，硅橡膠膜與自愈膜仍能牢固地粘結(jié)在一起，這說明它們之間具有良好的粘結(jié)性能。
圖 | 自愈膜與硅橡膠膜的粘接拉伸測試（來源：受訪者）
但溫度對自愈時(shí)間有著明顯影響，同樣受損情況下，35℃ 環(huán)境中完全自愈耗時(shí)約 6 小時(shí)，24℃ 環(huán)境中自愈耗時(shí)約 1 天。
修復(fù)后的流體動(dòng)力系統(tǒng)，能連續(xù)工作 2 小時(shí)，而且全程無泄漏，這證明了該自愈方法的有效性和可靠性。
不過，這種自愈只能在空氣中實(shí)現(xiàn)，而無法在水中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗腥狈εc空氣的接觸。
圖 | 自愈過程（來源：受訪者）
就柔性電液泵的工作步驟來說，當(dāng)泵內(nèi)充滿功能液體時(shí)，在柔性針孔電極的電場作用下，針孔之間可以產(chǎn)生射流，以便實(shí)現(xiàn)泵送功能。
圖 | 柔性針孔電極對之間產(chǎn)生強(qiáng)大的射流（來源：受訪者）
由于柔性針電極、位于柔性孔電極兩側(cè)，通過電路的切換，柔性電液泵能快速實(shí)現(xiàn)流體的正反向流動(dòng)，從而變成一個(gè)高度可控的雙向變量液壓泵。
圖 | 用柔性電液泵在兩個(gè)圓柱形儲(chǔ)罐之間泵液體（來源：受訪者）
其工作原理是，在正極和接地電極之間的強(qiáng)烈、且不均勻電場作用下，針電極附近少量中性液體分子中的電子，被剝離變成正離子。
在庫侖力（一種物理學(xué)定律）的作用下，這些自由的正離子、從針電極快速移動(dòng)到孔電極，并拖動(dòng)大量的中性液體分子、與之一起流過孔電極，從而形成強(qiáng)大的射流。
圖 | 柔性電液泵的工作原理（來源：受訪者）
當(dāng)正離子到達(dá)孔電極時(shí)，正離子在接地的孔電極上放電，重新變成中性液體分子。在通電情況下，這些過程會(huì)持續(xù)進(jìn)行，泵內(nèi)液體也會(huì)一直流動(dòng)。除非切斷電流，流動(dòng)才會(huì)停止。
此外，鄒俊還對柔性電液泵進(jìn)行了理論建模，并用仿真軟件 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行了數(shù)值模擬。
圖 | 柔性電液泵帶來的動(dòng)力（來源：受訪者）
為了匹配柔性電液泵，他們還自主設(shè)計(jì)出一款小型驅(qū)動(dòng)電路板，該電路板使用電池、或無線電力傳輸系統(tǒng)作為動(dòng)力，它能讓柔性電液泵實(shí)現(xiàn)雙向可逆泵送。
結(jié)合小型驅(qū)動(dòng)電路板，柔性電液泵可嵌入不同的液壓動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)，從而讓前文的軟體機(jī)器魚和機(jī)器人小車實(shí)現(xiàn)無束縛運(yùn)動(dòng)，這也是無束縛軟體機(jī)器人中的巨大進(jìn)步。
圖 | 柔性電液泵的數(shù)值模擬結(jié)果（來源：受訪者）
可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的 “私人訂制”
實(shí)際應(yīng)用中，就電液泵的外貌和泵送能力來說，不同液壓動(dòng)力系統(tǒng)的需求，也各不相同。慶幸的是，柔性電液泵的尺寸和形狀，可根據(jù)具體需要進(jìn)行定制。
泵的尺寸可大可小，為的是可以匹配不同尺度的機(jī)器人系統(tǒng)。此外，柔性電液泵的外殼和電極配置的設(shè)計(jì)空間很大，比如可以設(shè)計(jì)成圓柱形、三角形、五角形和模仿心臟外形等。
圖 | 各種尺寸及形貌的柔性電液泵（來源：受訪者）
另外，柔性電液泵通過針孔電極對產(chǎn)生流動(dòng)，產(chǎn)生的流量與壓力較大，并且它由輕量化的柔性材料制成，質(zhì)量也比較輕。
相比同尺寸的傳統(tǒng)剛性泵，在同樣重量下，這種泵能產(chǎn)生更大的輸出流量和壓力，同時(shí)具備較好的可攜帶性。
在可控性上，柔性電液泵為一種電控泵，只需結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路板，就可實(shí)現(xiàn)快速雙向可逆控制。
圖 | 柔性電液泵的泵送性能及性能對比（來源：受訪者）
在驅(qū)動(dòng)上，它可實(shí)現(xiàn)靜音驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗缓梢苿?dòng)部件，因此驅(qū)動(dòng)時(shí)既沒有聲音、也沒有振動(dòng)。
當(dāng)然最重要的，是柔性電液泵的自愈能力，一旦柔性材料能實(shí)現(xiàn)自我修補(bǔ)，就能給相關(guān)設(shè)備節(jié)約制造成本。
不過鄒俊也坦言，目前的柔性液壓泵只是初期版本，在驅(qū)動(dòng)能力、制作方式和響應(yīng)速度上，還有較大提升空間。
其還表示：“該研究為液壓系統(tǒng)的靜音驅(qū)動(dòng)和自修復(fù)，提供了新型解決方案，有望大幅提升液壓系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力，同時(shí)也為穿戴式裝備的無繩驅(qū)動(dòng)，提供了新思路。”
