基于超顺排二氧化钒纳米线薄膜的高性能微驱动器研究

Miniaturization of robot is an inevitable trend of robot development. Micro actuator is the core part of micro robot and plays a key role in its development. The development of new actuators with simple structure, large displacement output and force output, good linear control performance and fast dynamic response is the primary and key breakthrough direction of the current development of micro-robot technology. This project proposes an innovative idea for the development of high-performance micro actuators based on superaligned vanadium dioxide nanowire thin films. Starting from the microscopic phase transition behavior of vanadium dioxide at a small scale, the project explores and understands new phase transition physics from the source. The order modulation of phase domain structure is realized at the level of single domain, and the structure-activity relationship between phase domain structure and driving behavior is clarified. Then, it guides the development of new driving structure, carries out the design and mass manufacturing of high-performance thin film actuators based on super-aligned nanowires, and realizes the prototyping and application demonstration of several typical bionic robots. The research will provide the field of micro robot with the international cutting-edge research strategy, profound scientific understanding to the microscopic mechanism of vanadium dioxide phase transformation, innovative research achievements and breakthrough, forming the original technology accumulation in micro drive direction at the same time and laying a foundation for the application and industrialization of the micro robot.

机器人微型化是机器人发展的必然趋势，微驱动器是微型机器人的核心部件，对其发展起着关键作用。开发结构简单、力和位移输出大, 线性控制性能好, 动态响应快的新型驱动器是当前微型机器人技术发展的首要和重点突破方向。本项目提出基于超顺排二氧化钒纳米线薄膜发展高性能微驱动器的创新性思路：从小尺度下二氧化钒的微观相变行为入手，自源头探索和理解新的相变物理；在单畴水平实现对相畴结构的有序调制，阐明相畴结构和驱动行为的构效关系，获得对单根纳米线驱动器驱动的精细控制；继而指导发展新型的驱动结构，进行基于超顺排纳米线高性能薄膜驱动器的设计与批量制造，实现若干典型仿生机器人的原型制作与应用展示。以上研究将为我国微型机器人领域引入国际前沿的研究策略，对二氧化钒相变的微观机制提供深刻的科学认识，取得具有创新意义的研究成果和突破性的进展，同时在微驱动器方向形成原创性技术积累、为微型机器人的应用化和产业化奠定基础。

项目的背景：.机器人微型化是机器人发展的必然趋势，微驱动器是微型机器人的核心部件，对其发展起着关键 作用。开发结构简单、力和位移输出大, 线性控制性能好, 动态响应快的新型驱动器是当前微型机器人技术发展的首要和重点突破方向。..主要研究内容包括：.1..二氧化钒新型纳米结构驱动材料探索及其先进制备、排列方法的研究；.2..二氧化钒小尺度下相变规律、相畴结构调制，发展具有高性能的新结构驱动器及其驱动精细调控；.3..高性能驱动薄膜制备、典型仿生机器人的制作与驱动展示。..重要结果和关键数据包括：.1..揭示了二氧化钒纳米线通过水热法和化学气相法的生长机制和调控机制，发展出制备高长径比二氧化钒纳米线的方法及对纳米线进行取向排列的有效技术，并阐明了其物理机制；.2..实现了在单晶二氧化钒中相的选择性稳定生长以及空间梯度分布，首次构建了单晶驱动器家族和提出“相畴路径器件”的新概念。这个工作在单畴水平理解二氧化钒纳米结构中少畴及多畴的相变行为，探索出在小尺度下二氧化钒相变规律；阐明了二氧化钒纳米线中相畴结构与驱动性能的构效关系，实现对二氧化钒相畴结构的空间调制工程，发展出了调控二氧化钒相变特性，精细化控制单根纳米线驱动器驱动行为的方法；.3..我们设计出新型的高性能薄膜驱动器结构，通过激光直写切割实现批量化制造多种典型仿生机器人，满足微型机器人在驱动性能方面的高水平要求以及新的功能要求，实现光电热等多种方式驱动微型仿生机器人，演示了6种微驱动器宏观应用及其在空气和真空等环境下的稳定工作。..科学意义：.以上研究将为我国微型机器人领域引入国际前沿的研究策略，对二氧化钒相变的微观机制提供深刻的科学认识，取得具有创新意义的研究成果和突破性的进展，同时在微驱动器方向形成原创性技术积累、为微型机器人的应用化和产业化奠定基础。