基于介电液体驱动的软体控制阀作动机理与特性研究

Fluid-driven soft robotics is developing rapidly in recent years. Researchers around world aim to develop entirely soft and highly controllable robots, which rely on soft valves as necessary elements to control the fluid. Present soft valves are based on additional control channel or functional fluids, but the performance and applicability are limited by some fundamental shortage and lack of thorough study on the fluid-solid coupling effect. In the present project, a novel soft activator, hydraulically amplified self-healing electrostatic (HASEL) actuator is applied in the design of soft valves. Fundamental research on the mechanism, characteristics and design of the valve will be carried out. The investigation will include: the mechanical model of the action process of HASEL actuator; the influence of structure and material parameters on the performance of actuator; the failure and self-healing mechanism of the dielectric liquid; the electro-solid-fluid coupling effect of the valve port controlled by HASEL actuator; the static and dynamic characteristics of the soft valve; the design and optimization of the soft valve.

近年来，流体驱动的软体机器人技术迅速发展。研发全软体材料的控制阀，对于提升软体机器人的控制性能和被动变形能力有重要意义。但是，现有的全软体阀均在阀口启闭原理上存在缺陷，导致功能与适用性不足。此外，目前对柔性阀口复杂的电－固－液多场耦合问题研究较少，限制了软体阀对流动参数的控制精度。为此，本项目拟将一种基于介电液体驱动的新型全软体驱动器——HASEL驱动器应用于软体阀，针对HASEL驱动器作动机理、HASEL驱动柔性阀口的多场耦合作用规律、HASEL软体阀的流控特性与优化设计等问题开展基础研究，建立驱动器作动过程的力学模型，揭示结构与材料参数对输入－输出特性的影响规律，揭示介电液体的击穿与自愈机理，研究HASEL驱动柔性阀口的电－固－液多场耦合作用机制，探明该种软体阀节流特性及动态特性的变化规律，提出软体阀设计与优化方法，为高可靠性、多功能的软体阀元件及实用化全软体机器人的开发提供理论基础。

近年，随着科技迅猛发展，可连续变形的软体机器人出现，其具有大幅度连续变形的能力，在非结构化环境作业、与人交互、复杂易碎物体抓持、仿生运动等方面展现出极大的应用前景.全软体化的开关阀是软控制阀的核心组成部分，也是全软体化的软体机器人所需必要结构。开关阀通过主动控制阀体内部柔性管路变形，使得主流道的节流口面积产生变化，进而实现气路的开闭控制。为解决现有的软体阀在阀口启闭存在的缺陷，对基于基于介电液体驱动的新型全软体驱动器——HASEL驱动器进行研究，并将其应用于软体阀，针对驱动器作动机理、软体阀的流控特性与优化设计等问题开展基础研究，搭建试验台，验证软体阀节流特性及动态特性的变化规律，提出软体阀设计与优化方法，并通过实验验证其可行性，为高可靠性、多功能的软体阀元件及实用化全软体机器人的开发提供理论基础。