北京大學(xué)在壓電MEMS領(lǐng)域取得重要進展：讓一塊壓電陶瓷實現(xiàn)了兩個馬達的驅(qū)動功能！

作為機電執(zhí)行機構(gòu)，對稱驅(qū)動常用于執(zhí)行抓取、剪切，或者某些微通道的快速對稱開啟、關(guān)閉，以及其它需要產(chǎn)生對稱運動、驅(qū)動與控制的領(lǐng)域。比如，人體內(nèi)的微創(chuàng)手術(shù)，包括精密剪切、抓取腫瘤細胞，以及更精細的視網(wǎng)膜顯微剪切手術(shù)等。在MEMS領(lǐng)域，剪切或抓取操作本質(zhì)上可以歸結(jié)為末端執(zhí)行器的兩個線性對稱驅(qū)動與操作。但是，目前幾乎沒有一種馬達可以直接產(chǎn)生兩個對稱驅(qū)動輸出，或者兩個對稱直線運動輸出的功能。

通常，為了產(chǎn)生兩個對稱的驅(qū)動，比較簡單的方法是利用一對電機協(xié)同完成：將兩個馬達定子串聯(lián)或并聯(lián)在一起，同時驅(qū)動兩個動子做相對運動；另外一種方案是借助一對反向螺紋副、或者一對反向齒輪副，將一個馬達輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成一對線性對稱運動。也有報導(dǎo)，利用一個壓電疊堆與復(fù)雜的柔性鉸鏈機械結(jié)構(gòu)組合在一起，實現(xiàn)單向驅(qū)動轉(zhuǎn)換成雙輸出對稱驅(qū)動。但是前兩種方案通常會使結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電路變得復(fù)雜，不利于器件的小型化和集成化；第三種方案通常只能產(chǎn)生非常有限的輸出行程及輸出力。因此，如何使一個馬達在不需要額外機械傳動機構(gòu)的前提下就可產(chǎn)生兩個對稱驅(qū)動，以及同時產(chǎn)生兩個對稱直線運動輸出功能，對電機的微型化、精密化，以及驅(qū)動性能的提升都具有重要意義。

近日，北京大學(xué)董蜀湘教授課題組在壓電MEMS領(lǐng)域獨辟蹊徑：發(fā)明了一種壓電馬達，只需一個壓電陶瓷，就可產(chǎn)生兩個對稱驅(qū)動和實現(xiàn)兩個對稱運動輸出功能。而傳統(tǒng)上，需要利用兩個壓電陶瓷（定子）來驅(qū)動兩個動子和產(chǎn)生對稱運動輸出。本發(fā)明的壓電馬達，其基本思想是利用一塊（2×3）序構(gòu)壓電陶瓷激發(fā)一階縱振動模態(tài)和三階彎振動模態(tài)，即L1-B3復(fù)合振動模態(tài)，如圖1所示。這個振動模態(tài)在其兩個端部產(chǎn)生方向相反的一對橢圓軌跡振動，進一步通過端部兩個驅(qū)動頭的界面摩擦耦合可以直接驅(qū)動一對動子（滑塊），以相同的速度產(chǎn)生對稱的、同步的向內(nèi)或向外的直線運動。即無需額外的機械傳動結(jié)構(gòu)，同步實現(xiàn)驅(qū)動兩個負載并產(chǎn)生對稱的相向或者背向運動，見圖2。發(fā)明的新的壓電馬達工作機制，對傳統(tǒng)的一個壓電定子只能驅(qū)動一個動子的工作原理做出了變革性的改變。同時，這種對稱驅(qū)動機制使壓電馬達工作效率提高了一倍。

圖1 對稱驅(qū)動壓電馬達定子的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

圖2 一塊壓電陶瓷變成兩個馬達：可同時對稱驅(qū)動兩個負載

進一步地，將一副商用微創(chuàng)手術(shù)剪刀與該壓電馬達裝配在一起，壓電馬達可以產(chǎn)生剪切功能，實現(xiàn)對微創(chuàng)手術(shù)剪刀的高精密對稱操作，其具體結(jié)構(gòu)如圖3A所示。此外，產(chǎn)生的剪切效應(yīng)又使兩個驅(qū)動端部的輸出力提高了若干倍。實驗測試發(fā)現(xiàn)該馬達有如下優(yōu)勢：(i)快的相對運動速度（~ 1 m/s）；(ii)高的步進分辨率（40 nm）；(iii)高的功率密度（405.4 mW/cm3），是已有報道的兩倍以上；(iv)高的工作效率（22.1%）；(v)寬的速度調(diào)節(jié)范圍，見圖4。

圖3對稱壓電馬達與微創(chuàng)手術(shù)剪刀（剪切效應(yīng)）

圖4對稱壓電馬達的微納米操作功能

作為其進一步的驗證，使用該樣機進行了不同應(yīng)用場景下的剪切實驗，如剪切銅導(dǎo)線、豬肉絲、牛肉片、腸道組織等，如圖5所示。故該馬達可進一步應(yīng)用于顯微外科機器人中，進行高精密的抓取、剪切等外科手術(shù)。相關(guān)實驗證實了該馬達用于精密微創(chuàng)手術(shù)的巨大潛力。

圖5 使用對稱驅(qū)動壓電馬達操作微創(chuàng)手術(shù)剪刀剪切銅線(a)、豬肉絲(b)、牛肉片(c)和腸道組織(d)的圖片

本工作提出的設(shè)計思想與策略對未來對稱驅(qū)動裝置的設(shè)計，以及對未來微機電的發(fā)展也具有啟發(fā)意義。

這一成果近期在線發(fā)表在Research上（Q1區(qū)），題目為“A symmetric-actuating linear piezoceramic ultrasonic motor capable of producing a scissoring effect”。該文章的第一作者是北京大學(xué)材料學(xué)院2018級博士生李占淼，董蜀湘教授是本文唯一通訊作者。該成果已同時申報中國發(fā)明專利一項。

論文信息：DOI:10.34133/research.0156