Research|让一块压电陶瓷实现了两个马达的驱动功能—北京大学董蜀湘课题组在压电微机电领域取得重要进展

近日，北京大学/深圳大学董蜀湘教授课题组在压电微机电领域独辟蹊径：发明了一个压电马达，只需一个压电陶瓷，就可产生两个对称驱动和实现两个对称运动输出功能。而传统上，需要利用两个压电陶瓷（定子）来驱动两个动子和产生对称运动输出。相关成果以“A symmetric-actuating linear piezoceramic ultrasonic motor capable of producing a scissoring effect”为题发表在Research上。

Citation: 

Li Z, Yi X, Zhu R, Yu Z, Yuan X, Pourhosseini Asl MJ, Dong S. A Symmetric-Actuating Linear Piezoceramic Ultrasonic Motor Capable of Producing a Scissoring Effect. Research 2023;6:Article 0156.

https:///10.34133/research.0156

01  研究背景

作为机电执行机构，对称驱动常用于执行抓取、剪切，或者某些微通道的快速对称开启、关闭，以及其它需要产生对称运动、驱动与控制的领域。比如，人体内的微创手术，包括精密剪切、抓取肿瘤细胞，以及更精细的视网膜显微剪切手术等。在微机电领域，剪切或抓取操作本质上可以归结为末端执行器的两个线性对称驱动与操作。但是，目前几乎没有一种马达可以直接产生两个对称驱动输出，或者两个对称直线运动输出的功能。通常，为了产生两个对称的驱动，比较简单的方法是利用一对电机协同完成：将两个马达定子串联或并联在一起，同时驱动两个动子做相对运动；另外一种方案是借助一对反向螺纹副、或者一对反向齿轮副，将一个马达输出轴的旋转运动转换成一对线性对称运动。也有报导，利用一个压电叠堆与复杂的柔性铰链机械结构组合在一起，实现单向驱动转换成双输出对称驱动。但是前两种方案通常会使结构和驱动电路变得复杂，不利于器件的小型化和集成化；第三种方案通常只能产生非常有限的输出行程及输出力。因此，如何使一个马达在不需要额外机械传动机构的前提下就可产生两个对称驱动，以及同时产生两个对称直线运动输出功能，对电机的微型化、精密化，以及驱动性能的提升都具有重要意义。

02  研究进展

近日，董蜀湘教授课题组在压电微机电领域独辟蹊径：发明了一个压电马达，只需一个压电陶瓷，就可产生两个对称驱动和实现两个对称运动输出功能。而传统上，需要利用两个压电陶瓷（定子）来驱动两个动子和产生对称运动输出。本发明的压电马达，其基本思想是利用一块（2×3）序构压电陶瓷激发一阶纵振动模态和三阶弯振动模态，即 L1-B3复合振动模态，如图1所示。这个振动模态在其两个端部产生方向相反的一对椭圆轨迹振动，进一步通过端部两个驱动头的界面摩擦耦合可以直接驱动一对动子（滑块），以相同的速度产生对称的、同步的向内或向外的直线运动。即无需额外的机械传动结构，同步实现驱动两个负载并产生对称的相向或者背向运动，见图2。发明的新的压电马达工作机制，对传统的一个压电定子只能驱动一个动子的工作原理做出了变革性的改变。同时，这种对称驱动机制使压电马达工作效率提高了一倍。

图1  对称驱动压电马达定子的结构和工作原理示意图

图2  一块压电陶瓷变成两个马达：可同时对称驱动两个负载

进一步地，将一副商用微创手术剪刀与该压电马达装配在一起，压电马达可以产生剪切功能，实现对微创手术剪刀的高精密对称操作，其具体结构如图3A所示。此外，产生的剪切效应又使两个驱动端部的输出力提高了若干倍。实验测试发现该马达有如下优势：(i) 快的相对运动速度（~ 1 m/s）；(ii) 高的步进分辨率（40 nm）；(iii) 高的功率密度（405.4 mW/cm3），是已有报道的两倍以上；(iv) 高的工作效率（22.1%）；(v) 宽的速度调节范围，见图4。

图3  对称压电马达与微创手术剪刀（剪切效应）

图4  对称压电马达的微纳米操作功能

作为其进一步的验证，使用该样机进行了不同应用场景下的剪切实验，如剪切铜导线、猪肉丝、牛肉片、肠道组织等，如图5所示。故该马达可进一步应用于显微外科机器人中，进行高精密的抓取、剪切等外科手术。相关实验证实了该马达用于精密微创手术的巨大潜力。

图5  使用对称驱动压电马达操作微创手术剪刀剪切铜线(a)、猪肉丝(b)、牛肉片(c)和肠道组织(d)的图片

03  未来展望

本工作提出的设计思想与策略对未来对称驱动装置的设计，以及对未来微机电的发展也具有启发意义。

04  作者简介

董蜀湘，长期从事压电、铁电、磁电功能材料与器件，以及近期的3D打印与柔性电子、压电超材料、纳米压电马达方面的研究。曾先后任职清华大学材料系副教授、美国宾州大学、美国弗吉尼亚理工大学副研究员、研究教授。于2008年任职北京大学工学院、材料学院教授、北京大学终身教授，2021年入职深圳大学高等研究院。在压电、磁电理论和器件研究方面都颇有建树，如在压电基础理论研究方面，将超材料有序功能基元设计思想引入压电陶瓷体系，首次实现全部非零的18个压电应变系数单元，打破了传统上70多年来压电陶瓷材料只有五个非零压电系数dij的认知，这一突破性工作发表在Science Advances 刊物上(2020)·在磁电能材料的理论方面，创立了“磁 -弹 - 电”耦合理论方法，是目前公认的理论方法之一。在压电微马达研究方面，发明了世界上最小的压电微马达，研发出低温驱动器、高温压电马达与高温驱动器，以及研发出具有微纳米分辨率的系列直线压电马达；部分成果已在厦门实现了产业化，并成功应用于墨子号卫星空间通讯 (2018) 。在国际权威刊物Science Advances, Energy and Environment Science Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy等，共发表SCI收录文章200余篇，文章总引用次数14650余次；拥有20多个具有自主知识产权的压电微机电电机。