新式微动力源——电共轭流体微动力源

新式微动力源——电共轭流体微动力源

闫文祥

西南交通大学机械工程学院闫文祥

摘要：微动力源的发展是机械行业的前沿课题，一直受到广泛关注。最近，出现了一种新型的微动力源，叫做电共轭流体微动力源，这种新型动力源利用电共轭液体的特性，当两端接入高压电时会产生强烈的射流。本文将介绍这种新型微动力源的原理，优缺点和应用现状。

关键词：电共轭流体；微动力源；电共轭效应一、电共轭流体微动力源电共轭流体[1]是一种特殊的具有良好电流体动力学特性的机能性绝缘流体，当浸入其中的金属电极被施加数百伏特以上的直流电压时，电极间流体将产生定向流动而形成射流，且射流强度随着输入电压的提高显著增强，这种现象也叫做电共轭效应[1-2]。发生电共轭效应的原理图如图1-1所示。根据之前科学家的研究发现，能够产生电共轭效应的电介质流体，导电性和粘度都满足一定的特性，如图1-2所示，当电介质的导电性和粘度处于三角区域内时，便可以出现电共轭效应[3-4]。

图1-1针-孔电极对产生电共轭效应原理图电共轭流体微动力源就是利用电共轭效应的动力源。国外专家已经对微动力源的输出特性进行了研究，发现当外部电压越高时，输出压力越大。

二、电共轭流体微动力源优点电共轭流体微动力源的优势主要体现在以下方面[5-6]：1.体积更小该电共轭流体微动力源的体积非常小，其核心部件-微电极阵列的特征尺寸仅为数百微米，装配后的微动力源外部尺寸也仅为数十厘米。电共轭流体微动力源体积小的特点为其在某些方面的应用奠定了基础，例如，电共轭流体微动力源可以成为厘米级甚至是毫米级的微型机械手的驱动源，完成高精度的操作任务。

2.效率更高电共轭流体微动力源的结构简单，能量转换效率高。与传统的动力源相比，电共轭流体微动力源工作时并不需要克服非常大的阻力导致能量大多转化为内能，因此这种微动力源可以高效的将电能转化为势能。

3.噪声低噪声污染现在已经是越来越备受瞩目的环保新课题，而电共轭流体微动力源核心是利用电共轭效应，在工作运行期间几乎没有噪声和杂音产生，从而大大减小了噪声污染，更加环保。

4.无机械结构一般的流体压马达都会存在机械结构，但是有机械结构就意味着出现故障的可能性更大。电共轭流体微动力源没有机械结构，构造简单，大大降低了出现故障的可能性和维修改进的麻烦。

三、电共轭流体微动力源应用现状电共轭流体的相关研究主要集中在日本、澳大利亚等国家的几所大学和企业中。目前电共轭流体微动力源的主要研究方向有以下几个方面：1.流体态陀螺仪液态陀螺仪是利用电共轭流体能够产生射流的特性制作而成的。流体态陀螺仪的工作原理是：当在流体两端的电极上加上几千伏的电压时，电共轭流体由于电共轭效应能产生很强的射流。当哥氏力加速度改变了电共轭流体介质的射流方向、进而引起温度场的变化时，通过检测温度变化量就可以间接测量出外界输入角加速度的大小。

2.仿生微手指仿生微手指是利用电共轭流体的射流特性制成的，手指状管采用硅橡胶材料，驱动装置如图3-2所示，图3-2（a），（b）和（c）的左侧均为侧面状态图，右侧均为正面状态图。

图1-2仿生微手指结构图图中3根针状电极置于3个隔离腔内，有对应的3个孔。

平板电极相当于环状电极，分别控制三根针状电极和极板间的电压，使三个隔离腔内的压力由于电压的不同而不同，那么图1-2中的“手指”具有两个自由度的弯曲。

3.人工肌肉人工肌肉细胞模型中纤维单元上下为电极，中间填充电共轭流体，如图3-3所示。在充入电共轭流体前，纤维单元内压强小于外部压强，当在纤维单元的两电极上施加几千伏的电压后，电共轭流体流入纤维单元内，实现了纤维单元膨胀。当纤维单元两电极上的电压断开后，纤维单元收缩。单个单元构成肌肉细胞，很多纤维单元组合便构成了肌肉组织，实现肌肉各种动作的模仿。

参考文献：[1]R.Fearing，Challengesforeffectivemillirobots，in：The2006IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomationDigest，2006，p.xxi.[2]S.Konishi，M.Nokata，O.C.Jeong，S.Kusuda，T.Sakakibara，M.Kuwayama，H.Tsutsumi，Pneumaticmicrohandandminiaturizedparallellinkrobotformicromanipulationrobotsystem，in：Proceedingsofthe2006IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation，2006，pp.1036–1041.[3]T.Hino，T.Maeno，Developmentofaminiaturerobotfingerusingshapememoryalloy，in：Proceedingsofthe1stInternationalConferenceonManufacturingMachineDesignandTribology，2005，CD-ROM.[4]T.Tanikawa，T.Arai，Developmentofamicro-manipulationsystemhavingatwo-fingeredmicro-hand，IEEETrans.Robot.Automat.15（1）（1999）152–162.