介电弹性体驱动微型泵的动态建模框架及其功率密度提升研究

本文提出了一种基于多物理场耦合的介电弹性体驱动器(DEA)微型泵动态建模框架，通过整合电静力学、材料粘弹性和气流动力学特性，实现了对软体泵在谐振频率下阻塞压力(17.2 kPa)和无负载流量(586 mL/min)的精准预测。该研究不仅将泵的功率密度提升至原始性能的2.3倍，还成功应用于自包含流体驱动夹持器(FEA)，为柔性机器人、可穿戴设备等领域提供了创新的驱动解决方案。

　　

Highlight

这项研究展示了软体微型泵在3000 V驱动电压下的突破性表现：阻塞压力达17.2 kPa（较原始性能提升2.3倍），无负载流量达586 mL/min（提升1.7倍），显著提高了功率密度。优化后的泵被集成到自包含流体驱动弹性体夹持器(FEA)中（图1b），摆脱了对笨重外部泵的依赖。

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框架概述

软体囊泵工作原理如图1c所示：管状DEA与外壳间形成腔室1（Chamber 1），DEA内部为腔室2（Chamber 2），泵出口与压力传感器间为腔室3（Chamber 3）。各腔室的气压p_i、容积V_i、气体质量m_i和温度T_i（i=1,2,3）均纳入模型。

管状DEA参数

通过多物理场表征确定参数：电学领域通过方波充电曲线推导等效电容和电阻；力学领域通过公式$M=\frac{1}{2}{\rho }_{d}AL+m_0$计算集总参数，其中_ρd为介电材料密度，Y为杨氏模量，η为粘滞系数。

泵的阻塞压力

模型预测谐振时阻塞压力为6.6 kPa（图5a），与实验测得6.3 kPa高度吻合。测试采用霍尼韦尔压力传感器(SSCDJJN系列)和流量计(AWM5101VN)。

优化泵的应用

开发了DEA直驱的自包含FEA夹持器（图6a），泵出口连接硅胶夹持器内腔。通电时泵驱动流体使夹持器产生可控形变，实现无损物体抓取（图6b）。

Conclusion

本建模框架通过多物理场耦合分析，精准预测了软体泵的谐振特性。电压提升至3000 V时性能显著增强，为精准气动控制和微型泵优化设计提供了新范式。