“跨界”碰出的突破,中國學者賦予“活塞”新的概念!

這是有關活塞的大新聞。不是那支綽號“壞小子軍團”的位于美國底特律的 NBA 球隊，而是在生活、工業(yè)中無處不在，卻又很少被關注的基礎機械零件。麻省理工學院（MIT）和哈佛大學的研究團隊合作開發(fā)了一種設計活塞的新方案，借助一個使用柔性材料制成的膜內可壓縮結構的機械裝置來取代傳統(tǒng)的剛性活塞組件，由此制作出的“張力活塞”可產(chǎn)生傳統(tǒng)活塞三倍以上的力，同時極大地消除了摩擦，在低壓條件下可提高近 40% 的能量轉化效率。假使有一天，這種新型活塞可以應用到發(fā)動機里，可以讓汽車等交通工具的驅動力和經(jīng)濟性得到顯著提升。

“我們重新發(fā)明了已有 300 多年歷史的活塞”，李曙光用一句話總結這項成果的意義。這項研究近日發(fā)表在 Advanced Functional Materials 雜志上，研究由 MIT 的中國博士后研究員李曙光、哈佛大學的羅伯特·伍德（Robert Wood）教授和 MIT 計算機科學與人工智能實驗室主任丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）教授共同主持。

“跨界”碰出的突破

活塞的概念首次出現(xiàn)在 1690 年，發(fā)明了高壓鍋的英國物理學家丹尼斯?帕平（Denis Papin），在壓力鍋的研究基礎上構建了一個發(fā)動機模型，即利用蒸汽推動活塞來做功。我國明代崇禎年間的百科全書《天工開物》中也描述過類似的活塞裝置。傳統(tǒng)的活塞是由一個硬質缸體和運動活塞組成，為保持內部緊密的密封狀態(tài)，活塞需要緊貼著缸體內壁滑動。因此，活塞內分為兩個充滿兩種流體（可以是水、油或者氣體）的空間，并連接到兩個外部的流體源。如果流體存在不同的壓力，活塞就會滑向壓力較低的方向，同時可以驅動活塞桿或其他裝置的運動。這一原理已被用于設計許多機器，包括各種活塞發(fā)動機、液壓升降機、電動工具、減震器和起重機等。然而，傳統(tǒng)活塞存在幾個缺點：運動活塞與腔室內壁之間的高摩擦力會導致密封失效、泄漏，以及逐漸產(chǎn)生或突然出現(xiàn)的故障等。使用過液壓裝置的人應該都會發(fā)現(xiàn)，活塞兩邊大多都布滿油漬、比較臟，這就是內部的潤滑油或流體不可避免的泄露問題。此外，在較低的壓力條件下，傳統(tǒng)活塞的能量轉化效率和啟動響應速度往往是受到限制的。李曙光在接受 DeepTech 采訪時表示，他本身是機械制造的科研背景，之前一直專注于模塊化機器人領域，其中包含了各種新概念的機器人。最近幾年，機器人領域興起了一個熱點研究方向——軟體機器人，就是用“軟”材料來做新式的機器人。目前有很多材料專家、機器人專家都投入其中，幾乎每年都能有兩、三篇關于軟體機器人、柔性裝置的論文在頂級期刊發(fā)表。

而在柔性機器人領域，李曙光的研究重點是如何應用柔性材料（硅膠、泡沫或紡織物等），或者制備特殊的柔性復合材料來實現(xiàn)原本機器人沒有的功能，以便機器人可以更安全地與人交互。在柔性機器人研究領域，最為關鍵的兩點分別是新型驅動器和傳感器的設計。柔性機器人的驅動器研究則涉及使用何種材料來制造，是選擇電動、氣動還是液壓驅動等問題。李曙光目前專注于氣動領域，想辦法如何使用壓縮空氣來驅動“人工肌肉”。使用柔性材料對活塞重新設計，與李曙光之前的研究工作一脈相承，當他嘗試使用柔性材料做驅動器時，發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)出的性能比傳統(tǒng)硬質材料的設計還要好。軟的比硬的還強？這是個非常有意思的發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)這一點之后，很多人自然就會將它和現(xiàn)有工業(yè)上使用的液壓或者氣動的活塞、壓氣缸進行對比。李曙光在聽到了大家好奇的疑問之后，激發(fā)了他作為科研學者的精神，索性決定親自實驗一下。他把之前做的柔性驅動器——“人工肌肉”裝在一個硬質的缸體內，就像現(xiàn)有的氣動或液壓活塞一樣，之后再給缸體內部加壓，進而測試各種性能。經(jīng)過驗證之后，發(fā)現(xiàn)柔性材料設計的新活塞結構確實要比傳統(tǒng)活塞的性能強很多。這種使用了柔性材料的“張力”活塞可產(chǎn)生巨大的驅動力，數(shù)倍大于已有 300 多年歷史的傳統(tǒng)活塞。新型“張力活塞”并不與缸體接觸，沒有了摩擦損耗，因而在低壓條件下可以快速響應，同時其能量轉換效率可比傳統(tǒng)活塞高出約 40%。

圖 | a. 傳統(tǒng)活塞（左）和柔性材料活塞（右）的工作原理；b. 柔性材料活塞的實驗室原型；c & d. 在相同驅動氣壓下，傳統(tǒng)活塞（氣動）與柔性材料活塞的壓碎對比（P.s.右側肉眼可見的性能優(yōu)異）；e. 比較了傳統(tǒng)活塞（氣動-藍色）和兩種不同柔性材料活塞（紅&黃色）的輸出力 （來源：李曙光）柔性材料設計的新活塞性能優(yōu)異的原因，在于其跳出了物理學領域中的壓力與壓強關系的限制，即傳統(tǒng)活塞的輸出力等于缸體內部壓力乘以截面積。這種柔性材料的結構設計，是將密封腔內的驅動壓力轉換為柔性材料內部的張力，直接傳遞到相連的運動機構上。在此新型活塞中，柔性“皮膚”材料的表面積要遠大于缸體的截面積。

普通材料結合帶來的不普通設計

每當聽到有基于材料領域的創(chuàng)新設計時，大部分人的第一反應多半會是：“這新玩意兒，得挺貴吧？”大多數(shù)的實驗室研究成果在試圖轉化到應用領域時，可能都存在成本造價太高、性價比低、很難投入大規(guī)模應用等問題，從而被產(chǎn)業(yè)拒絕。這個“重新定義”的新型活塞，在制備過程中并沒有使用非常前沿的新型材料，而是通過對各種常見材料的組合設計而成。所以從材料成本角度來看，它與傳統(tǒng)活塞相比不會顯著增加。同時，由于使用的大多不是金屬材料，在相同力的輸出條件下，柔性材料制備的新型活塞應該還會更加輕量化。

圖 | 制造柔性材料新活塞的材料和部件：#1 有機玻璃缸體、#2 TPU尼龍布、#3 碳鋼棒、#4 直線軸承、#5 扎帶、#6 骨架片、#7 缸蓋、#8 密封帽、#9 TPU線材、#10 3D打印軟墊、#11 橡膠管、#12 密封膠帶、#13 硅膠粘合劑、#14 螺栓螺母 （來源：李曙光）

在組件材料成本較低的同時，柔性材料新活塞的制作工藝也簡單易懂。李曙光對這項研究的后續(xù)計劃中曾考慮過，如果投入更大規(guī)模的生產(chǎn)應用測試階段，現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)設備是可以滿足新型活塞的制作工藝的。

圖 | 柔性材料新活塞的制造工藝：步驟一。 將尼龍布與骨架結合；步驟二。 裝配軸、骨架和外殼；步驟三。 組合活塞、氣缸和蓋子 （來源：李曙光）

從實驗室的耐久測試到應用的可靠性判斷

除了材料和制造成本的問題之外，另一項尤為值得關注的，就是其在應用層面上的可靠性。李曙光說，在做這個新型活塞實驗之前誰也不知道結果到底如何。所以在性能測試表現(xiàn)很好之后，對新型活塞的實驗室原型做耐久性測試就是很自然的一項工作?！拔乙蚕肟纯此降自趺礃?，萬一壞了，這項實驗也就算完了?！痹谧瞿途眯詼y試時，李曙光其實是很擔心的。但最終結果還是讓他長舒一口氣，在固定載荷條件下，新型活塞連續(xù)進行了19 個小時的循環(huán)測試，往復驅動超過一萬次。在這個過程中，新型活塞的實驗室原型樣機表現(xiàn)得十分穩(wěn)定。

圖 | 耐久性循環(huán)試驗的實驗裝置和結果：a. 實驗裝置；b. 重復精度測試；c. 耐久性 （來源：李曙光）當然，對于實際的工程應用活塞來說，需要考慮的問題會是更加綜合且全面的。這種柔性材料的新型活塞目前所得到的性能測試，均是考慮了實驗室在密封性、強度和安全性等多方面限制而進行的整體設計與操作。未來，李曙光團隊計劃將實驗規(guī)模向工程生產(chǎn)的角度進一步拓展。同時，由于實驗室原型所用材料本身以及粘結方法的限制，它暫時還不能在高溫和高壓的環(huán)境下使用。針對這一缺陷，李曙光表示這個問題也是下一階段他們團隊研究的重心之一。因為如果想將新型活塞用到發(fā)動機里，使得汽車等交通工具的驅動力得到顯著提升，首先要保證活塞能夠耐高溫、高壓，并且擁有更長時間的使用壽命。“這個問題的解決辦法應該不難”，李曙光對此充滿信心，“我們目前已經(jīng)找到了幾種適合的、可以耐高溫高壓的柔性復合材料?！?/p>

更大的意義是賦予“活塞”新的概念

未來除了在柔性材料的選擇上需要探索，之前實驗室原型的結構設計是單向作用的，其應用效果類似千斤頂?shù)纫簤貉b置，而活塞通常都需要滿足往復運動的需求?！斑@是機械結構設計的事情，因為實驗最初只是為驗證我的一個想法，更大的意義是提出并驗證了一種新概念”，李曙光說，“我們在機械結構設計上很有信心。之后讓新型活塞完成往復運動，甚者其他更多的運動模式都不是問題?！?/p>

圖 | 不同骨架結構設計的新型活塞：傳統(tǒng)運動模式、完全“柔性”模式，以及可旋轉運動模式 （來源：李曙光）李曙光表示，該實驗發(fā)現(xiàn)最重要的意義，是賦予了“活塞”新的概念?！八o未來活塞設計帶來了更為有趣且豐富的拓展方向，其骨架結構可以設計成各種不同的形狀；同時，還可以滿足自定義輸出力的大小、方向等不同要求。”