导读
麻省理工学院（MIT）和哈佛大学的研究团队合作设计出了一种使用柔性材料的新型活塞，动力是传统活塞的3倍以上，且最多可节能40%。这种柔性活塞有望从根本上改变汽车发动机、机械臂、起重机、减震器和采矿装置等系统的设计方式。 活塞是在我们日常生活中普遍存在的装置，是一种基础机械零件。传统的活塞结构中，刚性的活塞紧贴在缸体内壁上前后运动，动力来自活塞两端液体或气体的压力差异，但活塞与缸体间的摩擦力常导致密闭性变差等问题，能耗和反应速度也受到影响。
近日，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所，哈佛John A.Paulson工程与应用科学学院（SEAS）和麻省理工学院（MIT）的机器人专家团队开发了一种新的方法来设计活塞。研究人员将可压缩折叠的活塞结构置于密封的柔性膜中，以替代传统的刚性活塞，这种柔性活塞无需与缸体接触，从而消除了大量摩擦力。由此产生的“张力活塞”产生的力是传统活塞的三倍以上，在低压下能效高达40％。该研究发表在Advanced Functional Materials上。
这项研究由 MIT 的中国博士后研究员李曙光、哈佛大学的罗伯特·伍德（Robert Wood）教授和 MIT 电脑科学与人工智能实验室主任丹妮拉·鲁斯（Daniela Rus）教授共同主持。
李曙光表示，将这种柔性活塞放在注有液体或气体的缸体中，当膜外的液体或气体的压力增加时，柔性薄膜材料的张力会随之增加，将力直接传导到这种柔性活塞的可压缩骨架结构上，从而驱动缸体外的活塞杆运动。这种新型“张力活塞”结构可输出巨大的驱动力，数倍于传统活塞结构，能耗也更低。
据DeepTech报道，在柔性机器人领域，李曙光的研究重点是如何应用柔性材料（硅胶、泡沫或纺织物等），或者制备特殊的柔性复合材料来实现原本机器人没有的功能，以便机器人可以更安全地与人互动。在柔性机器人研究领域，最为关键的两点分别是新型驱动器和感测器的设计。柔性机器人的驱动器研究则涉及使用何种材料来制造，是选择电动、气动还是液压驱动等问题。李曙光目前专注于气动领域，想办法如何使用压缩空气来驱动“人工肌肉”。
由于新型活塞不会与缸体接触，不存在摩擦损耗，所以在低压条件下可以快速响应，其能量转换效率可比传统活塞高出约40%。
在耐久性测试中，在固定载荷条件下，新型活塞连续进行了19 个小时的循环测试，往复驱动超过一万次。
图 | 耐久性循环试验的实验装置和结果：a. 实验装置；b. 重复精度测试；c.耐久性 （来源：李曙光）
由于材料及粘结方式的限制，如何能在高温、高温下使用这种新型活塞，也是研究重点之一。目前研究人员已经找到了几种适合的、可以耐高温高压的柔性复合材料。
图 | 不同骨架结构设计的新型活塞：传统运动模式、完全“柔性”模式，以及可旋转运动模式（来源：李曙光）
此外，这制备这种新型活塞的过程中并没有使用前沿的新型材料，而是通过对各种常见材料的组合设计而成。所以和传统活塞相比，成本不会显著增加，活塞也更加轻量化。
麻省理工学院电气工程和电脑科学教授丹妮拉·鲁斯说，这种表现更好的活塞有望从根本上改变汽车发动机、机械臂、起重机、减震器和采矿装置等系统的设计方式。
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