“跨界”碰出的突破,中国学者赋予“活塞”新的概念!

这是有关活塞的大新闻。不是那支绰号“坏小子军团”的位于美国底特律的 NBA 球队，而是在生活、工业中无处不在，却又很少被关注的基础机械零件。麻省理工学院（MIT）和哈佛大学的研究团队合作开发了一种设计活塞的新方案，借助一个使用柔性材料制成的膜内可压缩结构的机械装置来取代传统的刚性活塞组件，由此制作出的“张力活塞”可产生传统活塞三倍以上的力，同时极大地消除了摩擦，在低压条件下可提高近 40% 的能量转化效率。假使有一天，这种新型活塞可以应用到发动机里，可以让汽车等交通工具的驱动力和经济性得到显著提升。

“我们重新发明了已有 300 多年历史的活塞”，李曙光用一句话总结这项成果的意义。这项研究近日发表在 Advanced Functional Materials 杂志上，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 计算机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。

“跨界”碰出的突破

活塞的概念首次出现在 1690 年，发明了高压锅的英国物理学家丹尼斯•帕平（Denis Papin），在压力锅的研究基础上构建了一个发动机模型，即利用蒸汽推动活塞来做功。我国明代崇祯年间的百科全书《天工开物》中也描述过类似的活塞装置。传统的活塞是由一个硬质缸体和运动活塞组成，为保持内部紧密的密封状态，活塞需要紧贴着缸体内壁滑动。因此，活塞内分为两个充满两种流体（可以是水、油或者气体）的空间，并连接到两个外部的流体源。如果流体存在不同的压力，活塞就会滑向压力较低的方向，同时可以驱动活塞杆或其他装置的运动。这一原理已被用于设计许多机器，包括各种活塞发动机、液压升降机、电动工具、减震器和起重机等。然而，传统活塞存在几个缺点：运动活塞与腔室内壁之间的高摩擦力会导致密封失效、泄漏，以及逐渐产生或突然出现的故障等。使用过液压装置的人应该都会发现，活塞两边大多都布满油渍、比较脏，这就是内部的润滑油或流体不可避免的泄露问题。此外，在较低的压力条件下，传统活塞的能量转化效率和启动响应速度往往是受到限制的。李曙光在接受 DeepTech 采访时表示，他本身是机械制造的科研背景，之前一直专注于模块化机器人领域，其中包含了各种新概念的机器人。最近几年，机器人领域兴起了一个热点研究方向——软体机器人，就是用“软”材料来做新式的机器人。目前有很多材料专家、机器人专家都投入其中，几乎每年都能有两、三篇关于软体机器人、柔性装置的论文在顶级期刊发表。

而在柔性机器人领域，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交互。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传感器的设计。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”。使用柔性材料对活塞重新设计，与李曙光之前的研究工作一脉相承，当他尝试使用柔性材料做驱动器时，发现它表现出的性能比传统硬质材料的设计还要好。软的比硬的还强？这是个非常有意思的发现。在发现这一点之后，很多人自然就会将它和现有工业上使用的液压或者气动的活塞、压气缸进行对比。李曙光在听到了大家好奇的疑问之后，激发了他作为科研学者的精神，索性决定亲自实验一下。他把之前做的柔性驱动器——“人工肌肉”装在一个硬质的缸体内，就像现有的气动或液压活塞一样，之后再给缸体内部加压，进而测试各种性能。经过验证之后，发现柔性材料设计的新活塞结构确实要比传统活塞的性能强很多。这种使用了柔性材料的“张力”活塞可产生巨大的驱动力，数倍大于已有 300 多年历史的传统活塞。新型“张力活塞”并不与缸体接触，没有了摩擦损耗，因而在低压条件下可以快速响应，同时其能量转换效率可比传统活塞高出约 40%。

图 | a. 传统活塞（左）和柔性材料活塞（右）的工作原理；b. 柔性材料活塞的实验室原型；c & d. 在相同驱动气压下，传统活塞（气动）与柔性材料活塞的压碎对比（P.s.右侧肉眼可见的性能优异）；e. 比较了传统活塞（气动-蓝色）和两种不同柔性材料活塞（红&黄色）的输出力 （来源：李曙光）柔性材料设计的新活塞性能优异的原因，在于其跳出了物理学领域中的压力与压强关系的限制，即传统活塞的输出力等于缸体内部压力乘以截面积。这种柔性材料的结构设计，是将密封腔内的驱动压力转换为柔性材料内部的张力，直接传递到相连的运动机构上。在此新型活塞中，柔性“皮肤”材料的表面积要远大于缸体的截面积。

普通材料结合带来的不普通设计

每当听到有基于材料领域的创新设计时，大部分人的第一反应多半会是：“这新玩意儿，得挺贵吧？”大多数的实验室研究成果在试图转化到应用领域时，可能都存在成本造价太高、性价比低、很难投入大规模应用等问题，从而被产业拒绝。这个“重新定义”的新型活塞，在制备过程中并没有使用非常前沿的新型材料，而是通过对各种常见材料的组合设计而成。所以从材料成本角度来看，它与传统活塞相比不会显著增加。同时，由于使用的大多不是金属材料，在相同力的输出条件下，柔性材料制备的新型活塞应该还会更加轻量化。

图 | 制造柔性材料新活塞的材料和部件：#1 有机玻璃缸体、#2 TPU尼龙布、#3 碳钢棒、#4 直线轴承、#5 扎带、#6 骨架片、#7 缸盖、#8 密封帽、#9 TPU线材、#10 3D打印软垫、#11 橡胶管、#12 密封胶带、#13 硅胶粘合剂、#14 螺栓螺母 （来源：李曙光）

在组件材料成本较低的同时，柔性材料新活塞的制作工艺也简单易懂。李曙光对这项研究的后续计划中曾考虑过，如果投入更大规模的生产应用测试阶段，现有的工业生产设备是可以满足新型活塞的制作工艺的。

图 | 柔性材料新活塞的制造工艺：步骤一。 将尼龙布与骨架结合；步骤二。 装配轴、骨架和外壳；步骤三。 组合活塞、气缸和盖子 （来源：李曙光）

从实验室的耐久测试到应用的可靠性判断

除了材料和制造成本的问题之外，另一项尤为值得关注的，就是其在应用层面上的可靠性。李曙光说，在做这个新型活塞实验之前谁也不知道结果到底如何。所以在性能测试表现很好之后，对新型活塞的实验室原型做耐久性测试就是很自然的一项工作。“我也想看看它到底怎么样，万一坏了，这项实验也就算完了。”在做耐久性测试时，李曙光其实是很担心的。但最终结果还是让他长舒一口气，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。在这个过程中，新型活塞的实验室原型样机表现得十分稳定。

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）当然，对于实际的工程应用活塞来说，需要考虑的问题会是更加综合且全面的。这种柔性材料的新型活塞目前所得到的性能测试，均是考虑了实验室在密封性、强度和安全性等多方面限制而进行的整体设计与操作。未来，李曙光团队计划将实验规模向工程生产的角度进一步拓展。同时，由于实验室原型所用材料本身以及粘结方法的限制，它暂时还不能在高温和高压的环境下使用。针对这一缺陷，李曙光表示这个问题也是下一阶段他们团队研究的重心之一。因为如果想将新型活塞用到发动机里，使得汽车等交通工具的驱动力得到显著提升，首先要保证活塞能够耐高温、高压，并且拥有更长时间的使用寿命。“这个问题的解决办法应该不难”，李曙光对此充满信心，“我们目前已经找到了几种适合的、可以耐高温高压的柔性复合材料。”

更大的意义是赋予“活塞”新的概念

未来除了在柔性材料的选择上需要探索，之前实验室原型的结构设计是单向作用的，其应用效果类似千斤顶等液压装置，而活塞通常都需要满足往复运动的需求。“这是机械结构设计的事情，因为实验最初只是为验证我的一个想法，更大的意义是提出并验证了一种新概念”，李曙光说，“我们在机械结构设计上很有信心。之后让新型活塞完成往复运动，甚者其他更多的运动模式都不是问题。”

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）李曙光表示，该实验发现最重要的意义，是赋予了“活塞”新的概念。“它给未来活塞设计带来了更为有趣且丰富的拓展方向，其骨架结构可以设计成各种不同的形状；同时，还可以满足自定义输出力的大小、方向等不同要求。”