用于昆虫尺度软体机器人的多层压电聚合物执行器
研究团队提出一种使用现成材料制造多层 PVDF 压电执行器的新工艺，通过并联布线信号电压降低集成复杂度。经实验验证的第一性原理模型显示，在所选几何结构下，力随层数线性或超线性增加，位移随层数呈三次方下降；堆叠中使用更薄 PVDF 层可提高比功率密度。已制造执行器实现大于 9 mm 自由偏转、大于 20 mN 阻塞力和大于 500 Hz 带宽，并集成到利用共振实现平面运动、可承受大外部冲击的低矮昆虫尺度机器人中。
发布于 10-23 23:02来源：arXiv cs.RO
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arXiv:2511.12380v2 公告类型：替换 摘要：压电陶瓷能在昆虫尺度机器人中实现快速、精确且有力的驱动，并集成传感功能。 然而，压电陶瓷易碎，在低应变下就会失效，这限制了其在涉及高冲击、意外载荷或软体机器人等场景中的应用。 为解决这一局限，我们研究了聚偏氟乙烯（PVDF）作为一种柔性替代方案：它能承受大得多的应变，但其压电系数低，限制了传统单层执行器的输出。
我们展示了一种新型多层 PVDF 执行器制造工艺，该工艺使用现成材料，并对信号电压进行并联布线，以降低集成复杂度。 借助经实验验证的第一性原理模型，我们展示了在所选执行器几何结构下，力（随层数线性或超线性增加）与位移（随层数呈三次方下降）之间的权衡。
我们的工作将 PVDF 驱动定位为未来机器人应用中的一个优化问题，并提供了清晰的设计调节手段以满足性能需求。 此外，我们表明，在堆叠中使用更薄的 PVDF 层可提高执行器的比功率密度，使其非常适合小型机器人中的尺寸、重量和功耗（SWAP）限制。
在已制造的执行器中，实现了大于 9 mm 的自由偏转、大于 20 mN 的阻塞力和大于 500 Hz 的带宽。 为展示其未来在稳健机器人平台中的潜力，我们将执行器集成到一个低矮的昆虫尺度机器人中，该机器人利用共振实现平面运动，并能承受大的外部冲击。