一种紧凑型、自恢复式线电极电水动力泵，用于高速驱动麦基本（McKibben）人工肌肉

《Advanced Intelligent Systems》：A Compact, Self-Recovering Wire Electrode Electrohydrodynamic Pump for High-Speed McKibben Artificial Muscle Actuation

自动检测到需要处理的内容，请稍等。正在分析输入内容... 中文摘要：本文提出了一种新型电液动力学（EHD）泵，采用0.1毫米铜线电极在激光切割丙烯酸框架中呈对角排列设计，显著提高了耐电晕放电性能。该泵在107kPa压力和88mL/min流量下实现功率密度提升131%，并集成自恢复机制，通过电压切换自动清除气泡，使McKibben人工肌肉的收缩时间缩短至2秒，较前代系统提升十倍。研究证实该设计在可穿戴机器人中具有高可靠性和紧凑性优势。

　　软体机器人技术近年来取得了显著进展，其核心优势在于能够实现安全、灵活且适应性强的交互方式。这些系统在与人类和复杂环境互动时展现出独特的柔韧性，使其在康复辅助、增强人体功能以及可穿戴设备等应用领域具有广泛前景。然而，软体机器人系统的有效运行依赖于高效且可靠的驱动方式，其中，驱动器的性能直接决定了整体系统的响应速度、力量输出以及稳定性。传统的驱动方式，如气动或液压驱动器，通常需要体积庞大、噪音较高的外部压缩机或泵，这在可穿戴设备中存在明显局限。因此，开发一种轻便、静音且具备机械被动特性的驱动泵成为研究重点。

在众多新型驱动方案中，电水动力泵（Electrohydrodynamic Pump, EHD Pump）因其无机械部件的结构设计和优异的流体控制能力而备受关注。EHD泵通过在电介质液体中施加高直流电压，利用电荷的漂移效应产生连续的流体流动。其优势包括体积小、重量轻、运行安静、无热量产生以及无需阀门即可实现流体反向流动。然而，EHD泵也面临一个关键挑战，即电介质击穿（dielectric discharge）问题。由于其运行时需要较高的电场强度，电介质液体容易发生击穿现象，这不仅可能造成设备损坏，还可能导致永久性故障，限制了其在实际应用中的可靠性。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的EHD泵设计，采用0.1毫米直径的铜线电极，并以对角线排列方式嵌入激光切割的丙烯酸框架中。这种设计显著提高了电介质击穿的耐受性，同时减少了因电极间距变化而导致的性能下降。相较于传统设计，该新型泵能够在接近击穿电压的条件下运行，从而实现更高的流体动力输出，同时保持较高的稳定性。实验结果显示，该泵在50次击穿事件后仍能保留88%的初始流量，表现出卓越的耐用性。

此外，为了进一步提升系统的可靠性和连续性，研究团队引入了一种全自动的自恢复机制。该机制通过电流传感器实时监测电介质击穿事件，并在检测到异常电流时迅速切换电压输入至辅助泵。辅助泵在短时间内清除主泵中产生的气泡，从而恢复主泵的正常运行。这种自恢复设计不仅提高了系统的运行效率，还避免了传统EHD泵需要人工干预的缺陷，使得设备能够在复杂环境中保持稳定工作。

在性能测试方面，该新型EHD泵展现了显著的优势。通过优化电极间距和电极对之间的偏移量，泵在6.5千伏电压下实现了107千帕的压力输出和88毫升每分钟的流量，较之前版本的EHD泵提升了超过一倍的功率密度，同时保持了较高的流体控制能力。这些性能指标表明，该泵不仅具备更高的输出能力，还能够满足可穿戴设备对小型化和轻量化的要求。同时，该泵的尺寸仅为140.6×25×4.5毫米，重量仅为17.12克，这使得其在可穿戴设备中的集成成为可能。

在软体驱动器的应用测试中，该EHD泵与麦基本人工肌肉（McKibben artificial muscle）结合，展现出显著的提升效果。实验表明，该系统能够在2秒内完成肌肉的收缩，相比以往的EHD驱动系统提高了十倍的响应速度。同时，该系统在无负载条件下能够产生15%的应变和4.8牛的力，而在加载50克的情况下，肌肉仍能保持稳定的收缩性能。这些结果表明，该EHD泵不仅在流体控制方面表现出色，还能够有效驱动软体机器人系统，实现快速且可控的运动。

值得注意的是，该泵的结构设计和制造工艺在提高性能的同时，也极大地简化了生产流程。通过激光切割技术，团队成功制造了三层结构的EHD泵：上下层的丙烯酸板用于固定电极，中间层的双面粘合剂层则作为流体通道。这一设计不仅减少了制造误差，还提高了生产的一致性和可重复性。实验显示，五个不同样品的流量和压力波动系数分别仅为4.98%和1.63%，这表明该制造方法具备高度可靠性，适用于大规模生产。

为了验证该泵的可扩展性，研究团队还测试了不同尺寸的EHD泵。结果显示，随着电极对数量的增加，泵的压力输出显著提升，而流体流量则略有增加。同时，通道宽度的增加能够有效提升流量，但对压力输出的影响较小。这些发现为EHD泵在不同应用场景下的优化设计提供了重要参考。例如，在需要更高压力的场景中，可以增加电极对数量，而在需要更大流量的场景中，可以扩展通道宽度。这种灵活的可扩展性使得EHD泵能够适应多样化的软体机器人需求。

除了性能和可扩展性，该泵的自恢复机制还为软体驱动器的连续运行提供了保障。在与软体人工肌肉的集成测试中，自恢复系统能够在发生击穿事件后迅速切换至辅助泵，清除气泡并恢复主泵的正常功能。这一过程在实验中被证实可以在10秒内完成，确保了软体驱动器在连续操作中的稳定性。此外，该系统无需外部干预即可自动检测并恢复，这对实现真正意义上的自主机器人系统至关重要。

从实际应用角度来看，这种新型EHD泵的引入为可穿戴设备和辅助机器人技术提供了新的可能性。其紧凑的体积、高功率密度以及自动恢复能力，使其能够在不增加设备负担的情况下提供高效的流体驱动。同时，该泵与软体人工肌肉的兼容性也表明，它能够满足软体机器人对柔性和适应性的需求。这些特性对于需要与人体皮肤紧密贴合、长时间运行的可穿戴设备尤为重要。

未来的研究方向将聚焦于进一步优化制造工艺，实现更高效、更精确的自动化生产。此外，研究团队还计划探索更轻薄的基材，以提升单位体积和单位重量的功率密度。这些改进将有助于推动EHD泵在更广泛的应用场景中使用，如便携式机器人平台、智能穿戴设备以及康复辅助系统。同时，系统级的集成，包括小型化电池供电驱动电路、改进的绝缘材料以及电流监控安全机制，也将成为进一步提升其应用安全性和可靠性的关键。

总体而言，这项研究不仅在技术层面实现了EHD泵的性能突破，还在设计和制造方面提供了创新性的解决方案。通过采用细铜线电极和激光切割丙烯酸框架，该泵在保持高性能的同时，显著提高了结构的稳定性和耐久性。结合自恢复机制，它能够有效应对电介质击穿带来的挑战，确保在复杂环境中持续运行。这些成果为软体机器人技术的发展提供了新的方向，也为未来可穿戴设备和辅助机器人系统的设计与实现奠定了坚实基础。