中大团队研发柔性振动薄膜电机，有望用于虚拟现实交互和薄膜耳机等

在日常生活中，我们经常会在手机、智能手环、智能手表中，发现这些可穿戴智能装备具备振动提示的功能。

但是，其所使用的振动单元多数为线性电机或电磁马达，这些振动单元的硬质属性限制了可穿戴设备的潜在应用场景。

与之对比的是，柔性的振动单元可更好地贴合人体，提高振动信号的传递效率，并且提升穿戴的舒适性与便利性。

近年来，软体驱动相关技术的学术研究较为火热，但是由于相关驱动条件、驱动器性能等因素限制，商业转化落地的产品并不多。

为解决上述问题，中山大学团队研发了一种柔性振动薄膜电机。他们创新性地设计了基于电粘效应的电场诱导机械振动（EFIMF，Electric Field Induced Mechanical Flapping）马达。

这种设计利用电粘效应对电机振膜施加形变，将电能转化为振膜的弹性势能，当电场消失后，振膜释放弹性势能，从而产生振动。

这种原理使得薄膜电机鲁棒性极强。举例来说，在下方的视频中，研究人员用金属针刺穿了振膜电极，但是振膜仍然可以振动。

视频丨薄膜驱动器被针刺穿后仍然可以运行（来源：Sensors and Actuators：A. Physical）

此外，研究人员还用 EFIMF 马达驱动了一只机器昆虫，该昆虫可以幸免于连续锤击而保持运行能力。

视频丨机器昆虫可以幸免于连续锤击保持运行能力（来源：Sensors and Actuators：A. Physical）

从以上两个案例可以看出，EFIMF 马达的强容错能力与强鲁棒性，为相关装置的运行寿命提供了保障。

该论文共同通讯作者、中山大学冀晓斌副教授表示：“EFIMF 马达推动了柔性驱动单元从试验研究向实际应用方向迈进。

从成本上看，该技术非常具有产业发展前景。如果扩大量产规模，相关器件的成本有望降低1个数量级。”

图丨冀晓斌（来源：冀晓斌）

近日，相关论文以《电场诱导机械振动马达可实现软体机器人和可穿戴应用》（Electric field induced mechanical flapping motors enabling soft robotic and wearable applications）为题发表在 Sensors and Actuators：A. Physical 上 [1]。

中山大学潘非非博士是第一作者，中山大学冀晓斌副教授、中山大学附属第五医院神经外科主任医师刘飞担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Sensors and Actuators：A. Physical）

在设计 EFIMF 马达结构的阶段，为优化其输出振感，提升其鲁棒性，研究人员推翻了多种设计结构，最终确定了目前的结构形式。

在对应的加工参数调试阶段，他们在加工过程中遇到了一些“意外”的问题。

比如，激光雕刻较多数量的图案时，由于对基底释放大量热能而导致基底产生变形，从而影响雕刻效果。

“通过对加工工艺进行优化，目前我们可以单次进行大量的器件加工，并且保障每个器件的质量。”冀晓斌说。

图丨（a）EFIMF 马达原理图，（b）由 EFIMF 马达驱动的软体机器昆虫躺在树叶上，(c) 由5个 EFIMF 马达供电的柔软触觉手套，每个手指上有一个 EFIMF 马达（来源：Sensors and Actuators：A. Physical）

据了解，很多驱动机理被用来驱动薄膜振动类器件，包括气动驱动器、介电弹性体驱动器（DEA，Dielectric Elastomer Actuators），以及液压放大自修复静电驱动器等。

每次穿戴过程会对装置产生一定程度的损耗，长期来看，可穿戴设备对器件的损耗较大。因此，对装置的容错性与鲁棒性要求较高。

相对于其他驱动原理，电驱动机理更有利于装置整体的集成与控制。对于现有电驱动振动薄膜，介电击穿是一种主要的失效模式。

DEA 虽然可通过利用介电击穿的漏电流产生自清洁效应，而免于被介电击穿。但是，对于可穿戴装置而言，漏电流会对穿戴者造成电击，影响穿戴效果和安全。

EFIMF 马达的设计，既具备可免于介电击穿的自清洁能力，也能通过基底保护，最大程度地减小穿戴者受到漏电流电击的风险。

冀晓斌表示，EFIMF 马达的鲁棒性非常适用于可穿戴装置。并且，它不涉及液体封装，从而可以保障装置的鲁棒性。

视频丨触觉反馈手套展示（来源：Sensors and Actuators：A. Physical）

EFIMF 马达的优势是柔性的本质特征，因而与人体接触的振动单元皆可作为应用场景。

为加速技术落地，目前，该课题组已经开发出一款无线、轻薄、便携的触觉反馈手套，可结合虚拟现实技术场景，使穿戴者与虚拟物体进行交互。相关装置在医疗、工程的虚拟培训中，具有应用潜力。

另外，薄膜电机的振动效果以及宽振动频域，使其可用于薄膜耳机等发声单元。“目前，我们已研发对应的薄膜耳机样机，并正在优化耳机的性能，期待能尽早推进相关产品落地。”冀晓斌说道。

目前，该课题组已经将薄膜电机的驱动电压降低至300V 以下。并且，具备制造更大阵列结构的能力。

接下来，他们计划进一步优化薄膜电机的输出功率密度，优化相关驱动控制方案。

参考资料：

1.Pan,F. et al.Electric field induced mechanical flapping motors enabling soft robotic and wearable applications. Sensors & Actuators: A. Physical 376，115662(2024). https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115662

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