浙大研发首个可自愈机器心脏：灵感来自蜘蛛心脏，搭配中国传统桐油

虽然一个是 “鱼”、一个是车，看似风马牛不相及，但它们有着共同的 “机器心脏”—— 柔性电液泵。

图 | 柔性电液泵（来源：受访者）

该“心脏” 由浙江大学机械工程学院邹俊课题组设计，也是世界首个可通过自身液体自愈的柔性电液泵。

他告诉 DeepTech，研究灵感来自于蜘蛛，其体内含有一套独特的生物液压系统，蜘蛛心脏是核心动力部件，通过心脏把血淋巴泵送到腿部，血淋巴的液压能量、就能转换为腿部的敏捷运动。

此外，蜘蛛的自然进化，可让血淋巴主动对受损组织、或皮肤进行自修复，从而极大提高环境适应力。

图 | 柔性电液泵的结构、原理以及自愈（来源：受访者）

邹俊表示：“一直以来，跑冒滴漏和噪声问题，是液压系统的顽疾，这严重制约了液压系统的应用。”

此外，传统液压系统由于便携性差，使用时非常受限。那么能否研究出一种液压泵，其功能类似于蜘蛛心脏，既能驱动又能自愈呢？

图 | 蜘蛛心脏位置（来源：受访者）

受此启发，他和团队研发出这款柔性电液泵，通过电场就能实现介电液的静音泵送，还可通过在液体中添加自愈因子，实现破损和渗漏区域的自我修复。

4 月 14 日，Nature Communications报道了这一研究成果，论文标题为 “Customizing a self-healing soft pump for robot”。其中，浙江大学博士研究生唐威为论文第一作者，张超副研究员和邹俊教授为论文通讯作者。

图 | 相关论文（来源：受访者）

当古老的桐油遇见科学

据邹俊介绍，无需移动部件，柔性电液泵就能实现液体的运动与操控。

其主要构件包括：一个带有四个圆孔的柔性环电极、两个带有四个针的柔性针电极、两个绝缘电极支架、和一个绝缘弹性体外壳。

图 | 柔性电液泵的基本结构（来源：受访者）

研究中他和团队发现，由柔性硅橡胶材料制成的针孔电极对，可实现电流体的动力输出，基于此他和团队设计出了由全柔性材料制作的柔性电液泵。

为了实现类似蜘蛛血液的自愈功能，他改进了柔性电液泵泵送的电响应介电液体，并在其中均匀融入桐油液体。

这样可让电响应介电液体、蜕变成一种可修复破损硅胶外壳的自愈性液体，从而实现液体泵送和自我修复的双重功能。

图 | 戳破外壳来进行自愈能力检测（来源：受访者）

其中，中国古人就在使用的桐油，在研究中起到了重要作用。

桐油是一种干性油，它由氧键脂肪羧酸残基和活性共轭碳 - 碳双键组成，因此具有优良的固化性能，其在空气中会固化成膜，并可用于修复受损的柔性材料。

因此，基于桐油改进后的功能液体，不仅具备电流体的驱动性能，又具备桐油的修复功能，柔性材料再也无惧损坏。

图 | 被戳破后的流体具备自愈功能（来源：受访者）

改进后的功能液体，全名叫癸二酸二丁酯 - 桐油溶液，里面均匀地溶解着桐油。

图 | 柔性电液泵自愈液体治疗损伤的示意图（来源：受访者）

当桐油暴露在空气中时，由于活性共轭碳 - 碳双键很容易和氧气结合，因此会被和氧连接的脂肪羧酸残基吸收，从而引发均聚反应，最终会形成固体膜。

当柔性材料受到损伤时，泵内自愈液会暴露在空气中，凝固后即可自动修复损伤。修复完成后，泵不仅能恢复正常工作，而且不发生任何泄漏。

图 | 功能性液体的自愈能力（来源：受访者）

同时，受损后的自愈材料，其原来的特征也可得到保留。

具体来说，在 20℃ 时，自愈膜的储能模量为~14.3kpa，在 25℃ 时为~13.2kpa，在 30℃ 时为~10.6kpa。

在以上三种温度下，自愈膜的损耗模量分别为 3.1 kPa、 2.5 kPa 和 2.1 kPa。由此可见，能量损失非常少。

图 | 自愈膜的储能模量及损耗模量测试（来源：受访者）

为了进一步验证自愈膜、和硅橡胶膜之间的粘附性能，邹俊对这两种膜进行了重复拉伸试验。

把硅橡胶膜以每次 20% 的应变、重复拉伸 200 次后发现，硅橡胶膜与自愈膜仍能牢固地粘结在一起，这说明它们之间具有良好的粘结性能。

图 | 自愈膜与硅橡胶膜的粘接拉伸测试（来源：受访者）

但温度对自愈时间有着明显影响，同样受损情况下，35℃ 环境中完全自愈耗时约 6 小时，24℃ 环境中自愈耗时约 1 天。

修复后的流体动力系统，能连续工作 2 小时，而且全程无泄漏，这证明了该自愈方法的有效性和可靠性。

不过，这种自愈只能在空气中实现，而无法在水中实现，因为水中缺乏与空气的接触。

图 | 自愈过程（来源：受访者）

就柔性电液泵的工作步骤来说，当泵内充满功能液体时，在柔性针孔电极的电场作用下，针孔之间可以产生射流，以便实现泵送功能。

图 | 柔性针孔电极对之间产生强大的射流（来源：受访者）

由于柔性针电极、位于柔性孔电极两侧，通过电路的切换，柔性电液泵能快速实现流体的正反向流动，从而变成一个高度可控的双向变量液压泵。

图 | 用柔性电液泵在两个圆柱形储罐之间泵液体（来源：受访者）

其工作原理是，在正极和接地电极之间的强烈、且不均匀电场作用下，针电极附近少量中性液体分子中的电子，被剥离变成正离子。