中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
作為機電執行機構，對稱(chēng)驅動(dòng)常用于執行抓取、剪切，或者某些微通道的快速對稱(chēng)開(kāi)啟、關(guān)閉，以及其它需要產(chǎn)生對稱(chēng)運動(dòng)、驅動(dòng)與控制的領(lǐng)域。比如，人體內的微創(chuàng )手術(shù)，包括精密剪切、抓取腫瘤細胞，以及更精細的視網(wǎng)膜顯微剪切手術(shù)等。在MEMS領(lǐng)域，剪切或抓取操作本質(zhì)上可以歸結為末端執行器的兩個(gè)線(xiàn)性對稱(chēng)驅動(dòng)與操作。但是，目前幾乎沒(méi)有一種馬達可以直接產(chǎn)生兩個(gè)對稱(chēng)驅動(dòng)輸出，或者兩個(gè)對稱(chēng)直線(xiàn)運動(dòng)輸出的功能。
通常，為了產(chǎn)生兩個(gè)對稱(chēng)的驅動(dòng)，比較簡(jiǎn)單的方法是利用一對電機協(xié)同完成：將兩個(gè)馬達定子串聯(lián)或并聯(lián)在一起，同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)動(dòng)子做相對運動(dòng)；另外一種方案是借助一對反向螺紋副、或者一對反向齒輪副，將一個(gè)馬達輸出軸的旋轉運動(dòng)轉換成一對線(xiàn)性對稱(chēng)運動(dòng)。也有報導，利用一個(gè)壓電疊堆與復雜的柔性鉸鏈機械結構組合在一起，實(shí)現單向驅動(dòng)轉換成雙輸出對稱(chēng)驅動(dòng)。但是前兩種方案通常會(huì )使結構和驅動(dòng)電路變得復雜，不利于器件的小型化和集成化；第三種方案通常只能產(chǎn)生非常有限的輸出行程及輸出力。因此，如何使一個(gè)馬達在不需要額外機械傳動(dòng)機構的前提下就可產(chǎn)生兩個(gè)對稱(chēng)驅動(dòng)，以及同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)對稱(chēng)直線(xiàn)運動(dòng)輸出功能，對電機的微型化、精密化，以及驅動(dòng)性能的提升都具有重要意義。
近日，北京大學(xué)董蜀湘教授課題組在壓電MEMS領(lǐng)域獨辟蹊徑：發(fā)明了一種壓電馬達，只需一個(gè)壓電陶瓷，就可產(chǎn)生兩個(gè)對稱(chēng)驅動(dòng)和實(shí)現兩個(gè)對稱(chēng)運動(dòng)輸出功能。而傳統上，需要利用兩個(gè)壓電陶瓷（定子）來(lái)驅動(dòng)兩個(gè)動(dòng)子和產(chǎn)生對稱(chēng)運動(dòng)輸出。本發(fā)明的壓電馬達，其基本思想是利用一塊（2×3）序構壓電陶瓷激發(fā)一階縱振動(dòng)模態(tài)和三階彎振動(dòng)模態(tài)，即L1-B3復合振動(dòng)模態(tài)，如圖1所示。這個(gè)振動(dòng)模態(tài)在其兩個(gè)端部產(chǎn)生方向相反的一對橢圓軌跡振動(dòng)，進(jìn)一步通過(guò)端部?jì)蓚€(gè)驅動(dòng)頭的界面摩擦耦合可以直接驅動(dòng)一對動(dòng)子（滑塊），以相同的速度產(chǎn)生對稱(chēng)的、同步的向內或向外的直線(xiàn)運動(dòng)。即無(wú)需額外的機械傳動(dòng)結構，同步實(shí)現驅動(dòng)兩個(gè)負載并產(chǎn)生對稱(chēng)的相向或者背向運動(dòng)，見(jiàn)圖2。發(fā)明的新的壓電馬達工作機制，對傳統的一個(gè)壓電定子只能驅動(dòng)一個(gè)動(dòng)子的工作原理做出了變革性的改變。同時(shí)，這種對稱(chēng)驅動(dòng)機制使壓電馬達工作效率提高了一倍。
圖1 對稱(chēng)驅動(dòng)壓電馬達定子的結構和工作原理示意圖
圖2 一塊壓電陶瓷變成兩個(gè)馬達：可同時(shí)對稱(chēng)驅動(dòng)兩個(gè)負載
進(jìn)一步地，將一副商用微創(chuàng )手術(shù)剪刀與該壓電馬達裝配在一起，壓電馬達可以產(chǎn)生剪切功能，實(shí)現對微創(chuàng )手術(shù)剪刀的高精密對稱(chēng)操作，其具體結構如圖3A所示。此外，產(chǎn)生的剪切效應又使兩個(gè)驅動(dòng)端部的輸出力提高了若干倍。實(shí)驗測試發(fā)現該馬達有如下優(yōu)勢：(i)快的相對運動(dòng)速度（~ 1 m/s）；(ii)高的步進(jìn)分辨率（40 nm）；(iii)高的功率密度（405.4 mW/cm3），是已有報道的兩倍以上；(iv)高的工作效率（22.1%）；(v)寬的速度調節范圍，見(jiàn)圖4。
圖3 對稱(chēng)壓電馬達與微創(chuàng )手術(shù)剪刀（剪切效應）
圖4 對稱(chēng)壓電馬達的微納米操作功能
作為其進(jìn)一步的驗證，使用該樣機進(jìn)行了不同應用場(chǎng)景下的剪切實(shí)驗，如剪切銅導線(xiàn)、豬肉絲、牛肉片、腸道組織等，如圖5所示。故該馬達可進(jìn)一步應用于顯微外科機器人中，進(jìn)行高精密的抓取、剪切等外科手術(shù)。相關(guān)實(shí)驗證實(shí)了該馬達用于精密微創(chuàng )手術(shù)的巨大潛力。
圖5 使用對稱(chēng)驅動(dòng)壓電馬達操作微創(chuàng )手術(shù)剪刀剪切銅線(xiàn)(a)、豬肉絲(b)、牛肉片(c)和腸道組織(d)的圖片
本工作提出的設計思想與策略對未來(lái)對稱(chēng)驅動(dòng)裝置的設計，以及對未來(lái)微機電的發(fā)展也具有啟發(fā)意義。
這一成果近期在線(xiàn)發(fā)表在Research上（Q1區），題目為“A symmetric-actuating linear piezoceramic ultrasonic motor capable of producing a scissoring effect”。該文章的第一作者是北京大學(xué)材料學(xué)院2018級博士生李占淼，董蜀湘教授是本文唯一通訊作者。該成果已同時(shí)申報中國發(fā)明專(zhuān)利一項。
