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由三电纳米发电机驱动的软驱动微型空中机器人升空

Younghoon Lee a , b , c a , b , c ^(a,b,c){ }^{\mathrm{a}, \mathrm{b}, \mathrm{c}}, Zhijian Ren a , c a , c ^(a,c){ }^{\mathrm{a}, \mathrm{c}}, Yi-Hsuan Hsiao a , c a , c ^(a,c){ }^{\mathrm{a}, \mathrm{c}}, Suhan Kim a , c a , c ^(a,c){ }^{\mathrm{a}, \mathrm{c}}, Won Jun Song d d ^(d){ }^{\mathrm{d}}, Chengkuo Lee e e ^(e){ }^{\mathrm{e}}, Yufeng Chen a,c,** a,c,**  ^("a,c,** "){ }^{\text {a,c,** }}
a a  ^("a "){ }^{\text {a }} 麻省理工学院电气工程与计算机科学系，麻省理工学院，麻省大道 77 号，剑桥，马萨诸塞州，02139，美国
b b ^(b){ }^{\mathrm{b}} 机械工程系，Gachon 大学，韩国城南市水井区城南大道 1342 号，邮编 13120
c c  ^("c "){ }^{\text {c }} 麻省理工学院电子研究实验室，美国马萨诸塞州剑桥市马萨诸塞大道 77 号，邮编 02139
d d  ^("d "){ }^{\text {d }} 首尔国立大学材料科学与工程系，韩国首尔 08826，冠岳区冠岳路 1 号
e e ^(e){ }^{\mathrm{e}} 新加坡国立大学电气与计算机工程系，4 Engineering Drive 3, Singapore 117576, Singapore

A R T I C L E I N F O

  关键词：


介电弹性体致动器

三电纳米发电机
  软机器人技术
  摇摆翼
  微型飞行器

  摘要


空中昆虫可以在杂乱的自然环境中灵活穿梭，同时还能与花朵和树叶等易碎物体进行互动。为了实现昆虫般的灵活性和坚固性，人们开发了功率密集型介电弹性体致动器（DEA），用于驱动亚克级微型飞行器（MAV）。然而，尽管 DEA 具有类似肌肉的带宽和韧性，却需要 1 − 2 1 − 2 1-21-2 千伏的高驱动电压。这一要求对开发紧凑型升压电子器件和能源提出了巨大挑战，从而阻碍了软促动子程序 MAV 的动力自主操作。在这里，我们开发了一种紧凑型高功率三电纳米发电机（TENG），它能有效地为高压 DEA 充电，使软启动 MAV 升空。我们提出了一种平面内电荷泵 (ICP) 设计，无需次级电荷泵或电感器或变压器等磁路元件，即可提供超过 1500 V 的电压和 110 mW 的功率。与传统的独立模式 TENG 相比，我们的 ICP 设计在电压和能量产生方面分别提高了 280 % 和 920 % 920 % 920%920 \% 。当这种 TENG 为 DEA 驱动的 MAV 供电时，160 毫克的机器人以 1.75 的升重比实现升空。这一结果凸显了利用能量收集装置为高压微型机器人供电的潜力。

  1.导言


由于体积小、惯性小，昆虫级微型飞行器（MAVs）具有探索和检查杂乱无章的环境的潜力，而这对较大型无人机来说具有挑战性。在毫米尺度上，由于扭矩密度缩放的不利影响，电动马达变得很不理想。这一缺陷激发了微型致动器的发展，如压电陶瓷 [1] 和电流体动力推进器 [2]。这些致动器实现了亚克微型飞行器的悬停飞行[3]，并进一步实现了类似昆虫的飞行演示，如栖息[4]和多模式运动[5]。然而，与可以成群飞行并与周围环境进行稳健互动的昆虫不同，大多数无人飞行器由于易受碰撞而仅限于在开放空间运行。这一缺陷限制了现有微型机器人的应用。

为应对这一挑战，人们开发了软人造肌肉[6]，以提高微型机器人系统[7]的弹性。在现有的软致动器中，介电弹性体致动器（DEA）[6] 具有高功率密度和类似肌肉的鲁棒性。我们之前的研究[8]表明，DEA 驱动的空中机器人可以从飞行中的碰撞中恢复、承受严重破坏并完成敏捷的杂技动作。这些独特的飞行能力凸显了 DEA 相对于刚性微型致动器的优势。然而，DEA 需要较高的致动电压（ 500 − 5000 V 500 − 5000 V 500-5000V500-5000 \mathrm{~V} ），这给集成机载能源和升压电子设备带来了巨大挑战。鉴于亚克微型飞行器的有效载荷受到严重限制，机载升压电子设备的设计存在两个瓶颈。首先，升压电路需要重型（ > 100 mg > 100 mg > 100mg>100 \mathrm{mg} ）磁性元件，如电感器和变压器，并且在高频率（ > 100 kHz > 100 kHz > 100kHz>100 \mathrm{kHz} ）切换时效率低下。其次，缺乏轻型 ( < 20 mg < 20 mg < 20mg<20 \mathrm{mg} ) 和高频率 ( > 100 kHz > 100 kHz > 100kHz>100 \mathrm{kHz} ) 的升压电路。

电压 ( > 1 kV > 1 kV > 1kV>1 \mathrm{kV} ) 开关来控制升压电路。因此，用于 DEA 的现有次级升压电路 [ 9 , 10 ] [ 9 , 10 ] [9,10][9,10] 只能达到 600 V，效率低于 10 % 10 % 10%10 \% 。这些限制促使我们需要探索无需电池和重型升压电子设备的替代电源。

与存储和释放能量的电池和燃料电池不同，能量收集器可将周围的太阳能、热能和机械能转化为电能。虽然大多数能量收集器不能产生 DEA 所需的高电压，但三电纳米发电机（TENG）[11-13] 却能产生高达 20 kV [14-16] 的高电压，而无需重型升压电子设备。这种高电压的产生使得一系列自供电传感器[17-21]、致动器[22-24]和医疗设备得以展示[25,26]。然而，DEA 需要高功率来驱动机器人系统，这给大多数只能提供微安电流的 TENG 带来了巨大挑战[27,28]。最近有三项 TENG 开发项目旨在提高输出功率：表面改性、瞬时放电和二次充电泵 [29-31]。表面改性包括在 TENG 上形成微/纳米形态和涂上化学涂层，以增强接触通电能力，但当设备以高接触速度运行时，表面容易磨损 [32,33]。瞬时放电可通过快速切换外部控制电路提高峰值输出功率，但不能提高平均功率，而且在高阻抗负载下效率会降低 [34,35]。电荷泵是一种由主腾博会登录和泵腾博会登录组成的设计 [16，36]。主 TENG 存储电荷，而副泵 TENG 则注入额外电荷以提高输出功率。虽然这种设计很有效，但它需要一个副泵，而副泵很难安装在移动机器人身上 [37]。为了应对上述挑战，我们需要一种高电压、高功率、耐用且结构紧凑的能量收集器，为 DEA 驱动的移动机器人供电。

我们提出了一种驱动高压微型机器人的新方法。我们设想未来的机器人将在一个团队中运行，其中大型地面机器人将支持 MAV 的间歇性飞行（图 1a）。与 MAV 相比，地面机器人由于运输成本更低，有效载荷更大，因此可以轻松携带机载电池、传感器和控制电子设备。图 1a 展示了一个自主陆地机器人，它携带两个 DEA 驱动的 MAV 穿越自然环境。机器人的脚垫装有 TENG，用于采集

机械能。当机器人到达感兴趣的物体（如花朵）时，无人飞行器可以利用采集到的能量从地面机器人上起飞。这种能量收集和存储系统可以提供高压驱动信号，而不需要重型磁性元件，为 DEA 驱动的 MAV 提供了一种替代方案。

在此，我们开发了一种紧凑耐用的 TENG，用于为高电压和高功率 MAV 供电。我们提出了一种平面内电荷泵 (ICP) 设计（图 1b），可大幅提高 TENG 的输出电压和功率，而无需单独安装电荷泵。与传统的独立模式 TENG 相比，我们的新型发电机可以产生 280 % 280 % 280%280 \% 更高的电压和 920 % 920 % 920%920 \% 更高的能量。当这种 TENG 与电压倍增器和储能电路连接时，它可以为 DEA 驱动的拍翼飞行机器人提供动力（图 1c）。这个重达 160 毫克的仿生物飞行器的工作电压为 1540 V，频率为 400 Hz（图 1d），起飞时可提升 144 毫克的有效载荷。这一成果代表了首个由 TENG 实现的 MAV 升空演示（图 1e），凸显了高压能量收集器无需电池和升压电子设备的优势。


2.结果和讨论


2.1.设计一个 ICP-TENG


要在软驱动机器人中实现以 TENG 为动力的飞行，发电机需要提供高电压和高功率，同时保持紧凑的尺寸。之前有许多研究 [16,32,35] 提出了提高输出电压和功率的 TENG 设计方案。其中，使用次级电荷泵可将电荷注入主 TENG 的额外浮动导电层 [16,38]，从而提高输出电压。此外，有人提出了旋转电荷 TENG 设计[36]，与接触分离模式 TENG 相比，可提高输出功率。不过，在这些先前的研究中，次级电荷泵与主 TENG 分离，需要额外的结构和空间，很难安装在移动机器人系统上。

为了提高 TENG 的紧凑性，我们提出了一种 ICP-TENG 设计，将主 TENG 和次级电荷泵置于同一平面上（图 2a）。在侧视图中，图 2a 标出了电极（灰色）、主 TENG（蓝色）和平面内电荷泵。

图 1.a) 概念图：一个较大的地面机器人从周围环境中收集能量，并将其转化为电能，用于驱动空中机器人的高压 DEA；b) ICP-TENG 的转子和定子；c) 160 毫克 DEA 驱动的微型空中机器人；d) 机器人拍翼运动；e) 由 ICP-TENG 驱动的升空演示。b-e) 中的比例尺代表 1 厘米。
C

图 2：ICP-TENG 的设计和工作原理。a) ICP-TENG 的透视图和侧视图，其中主 TENG 和电荷泵位于同一平面。

(橙色和黄色）。相比之下，在传统设计中，面内电荷泵区域是空的。图 2b 展示了我们设计的工作原理。首先，当转子沿定子滑动时，转子电极（深灰色）和定子主腾博会登录（蓝色）之间会发生接触通电。泵送 TENG（橙色和黄色）也会带电（图 2b i）。在这里，具有强电负性的 PFA 1 PFA 1 PFA_(1)\mathrm{PFA}_{1} （橙色）被置于转子上，而具有弱电负性的 PA（黄色）被置于定子上，从而分别对彼此进行负电荷和正电荷充电（图 S1，补充材料）。接下来，随着旋转的继续，带正电荷的转子电极（深灰色）远离主 TENG，转子的 PFA 1 PFA 1 PFA_(1)\mathrm{PFA}_{1} 区域（橙色）与定子的主 TENG（蓝色）重叠（图 2b ii-iii）。在此过程中，主腾博会登录（蓝色）上的负电荷会排斥定子电极（浅灰色）中的电子。此时，带负电荷的转子泵 PFA 1 PFA 1 PFA_(1)\mathrm{PFA}_{1} （橙色）重叠在主腾博会登录上，从而放大了排斥力。因此，在电荷泵触点通电和放大磁场的共同作用下，更大的电流流经负载电阻。随着旋转的继续，电流的方向会发生逆转（图 2b ii-iv），从而导致交变电流通过负载。

为了评估这种设计的有效性，我们制作了八种不同的滑动模式 TENG，并比较了它们的性能。图 2c i-iii）显示了三个不带电荷泵的传统滑动模式 TENG，图 2c iv-viii）显示了五个带平面内电荷泵的 ICP-TENG。所有这些 TENG 的直径都是 8 厘米（图 S2，补充资料）。

材料），并以每秒 10 转 (rps) 的相同转速进行驱动。图 2c 还比较了每种设计在 40 M Ω 40 M Ω 40MOmega40 \mathrm{M} \Omega 负载上的测量电压。与独立模式设计 [39]（图 2c ii）相比，我们性能最好的 ICP-TENG（图 2c v）产生的峰-峰电压（ V pp V pp V_(pp)\mathrm{V}_{\mathrm{pp}} ） 280 % 280 % 280%280 \% 更高，能量也高出 920%。详细测量结果见图 S2c、d（补充材料）。电压和能量的大幅提升对于为 DEA 驱动的空中机器人供电至关重要。在接下来的章节中，我们将介绍 TENG 材料的选择、整流电路的设计以及 DEA 的实验。


2.2.ICP-TENG 的材料选择和特征描述


根据所提出的 ICP-TENG 设计，我们试验了不同的定子和转子材料，以最大限度地提高输出电压。图 3a 和图 S3（补充材料）说明了 TENG 结构，它由一个中央转子和上下定子夹层组成。我们选择全氟烷氧基烷（PFA）作为 TENG 的主要材料（图 3a 中的蓝色区域），并尝试了不同的电荷泵材料（图 3a 中的黄色和橙色区域），其中包括聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯丙烯（FEP）和 PFA。

首先，我们使用 PFA 制造转子电荷泵，并改变定子电荷泵的材料。产生的电压从

图 3.a) 我们的 ICP-TENG 由两个定子和一个中央转子组成，以增加净输出功率。a) 我们的 ICP-TENG 由两个定子和一个中央转子组成，以增加净输出功率。b) 定子和 c) 转子中的电荷泵材料不同，输出电压也不同。g) 18 M Ω 18 M Ω 18MOmega18 \mathrm{M} \Omega 负载下的瞬时输出电压和输出能量。 h) ICP-TENG 可为 93 个串联的白光 LED 供电，这些 LED 的开启电压为 3.0 V。刻度线代表 10 厘米。

当定子材料从 PFA 变为 PA 时， 513 V pp 513 V pp 513V_(pp)513 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} 变为 1513 V pp 1513 V pp 1513V_(pp)1513 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} （图 3b）。我们还改变了转子材料，其中定子电荷泵由 PA 制成。不同转子材料产生的电压从 757 V pp 757 V pp 757V_(pp)757 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} 到 1513 V pp 1513 V pp 1513V_(pp)1513 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} 不等（图 3c）。这些实验表明，当电荷泵材料的电子亲和力差异最大时，输出电压最大，如三电系列表所示。这是因为电子亲和力差异越大，接触电化过程中的表面电荷密度就越高，从而进一步提高输出电压。这些实验还突出表明，加入面内电荷泵可大幅提高 TENG 性能。基于这些结果，我们选择 PFA 和 PA 分别作为转子和定子材料。

我们还对不同工作条件下的 ICP-TENG 性能进行了鉴定。当器件以更快的速度旋转时，电荷积累和感应率会增加。这导致电阻负载上的测量电压增加。当驱动旋转速度从 2 rps 增加到 20 rps 时，测得的输出电压从 842 增加到 1440 V pp 1440 V pp 1440V_(pp)1440 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} （图 3d）。相关的时变数据见图 S4（补充材料）。我们观察到，当转速超过 10 rps 后，输出电压在大约 1400 V pp 1400 V pp 1400V_(pp)1400 \mathrm{~V}_{\mathrm{pp}} 处趋于平稳，因此我们决定在 10 rps 下进行以下特性实验。

ICP-TENG 具有良好的表面耐磨性。

图 3e 显示，ICP-TENG 的输出电压在 1800 秒的连续运行期间保持不变。此外，我们还描述了该器件的净输出电压和功率与负载电阻的函数关系。当我们将电阻负载从 0.1 M Ω 0.1 M Ω 0.1MOmega0.1 \mathrm{M} \Omega 增加到 40 M Ω 40 M Ω 40MOmega40 \mathrm{M} \Omega 时，输出电压从 14 V 上升到 1405 V（图 3f）。当负载电阻为 18 M Ω 18 M Ω 18MOmega18 \mathrm{M} \Omega 时，峰值功率和平均功率达到最大值，分别为 117 mW 和 8 mW。如图 S5 所示，产生的电流约为 120 μ A pp 120 μ A pp 120 muA_(pp)120 \mu \mathrm{~A}_{\mathrm{pp}} 。图 3g 进一步显示了与四分之一旋转相对应的瞬时输出电压和能量。与传统的 TENG 相比，输出电压和功率有了大幅提高，因此有望为高压机器人驱动提供动力。为了突出 ICP-TENG 的性能，我们驱动了 93 个串联的白光 LED（图 3h 和视频 S1，补充材料）。每个白光 LED 的开启电压为 3.0 V，LED 阵列由发生器以 0.7 rps 的平缓旋转速度点亮。这一结果证实了我们的 ICP-TENG 能够产生较高的驱动电压。在下一节中，我们将介绍基于该 ICP-TENG 的 DEA 驱动装置。

与本文相关的补充材料可在线查阅：doi:10.1016/j.nanoen.2024.109602。


2.3.由 ICP-TENG 供电的高压 DEA 操作


我们演示了 ICP-TENG 可为软驱动飞行器中的 DEA 供电（图 1c）。DEA 可被模拟为一个软电容器，其中介电弹性体层被顺应性电极层夹在中间。当电极层带电时，静电应力会导致弹性体层沿其法线方向压缩。由于弹性体不可压缩，弹性体层会沿切线方向伸长，从而产生机械功。我们的 DEA 由 7 层弹性体层和 6 层相互咬合的电极层组成，这种多层结构被卷成一个圆柱形外壳（图 4a）。

在我们之前的工作中，DEA 由来自高压放大器的单极正弦信号驱动。当对 DEA 施加 1500 V 电压时，它能伸长 13 %（图 4b）。当施加的电压降低到 0 V 时，DEA 会缩回到原来的长度。DEA 与机器人传动装置和机翼相连，通过四杆机构将线性驱动转化为机器人的拍翼运动（图 4c）。当 DEA 拉长时，机翼向上运动。当 DEA 收缩时，机翼向下摆动。可将 DEA 建立为串联电阻电容器 (RC) 元件的电气模型，该模型考虑了 DEA 的电荷存储 ( C C CC ) 和电极电阻损耗®。由于 DEA 在致动过程中会反复伸长和收缩，因此其电阻和电容在每个周期都会发生动态变化。在 1600 V 的驱动电压下

电压，R 和 C 的周期变化在 10 % 10 % 10%10 \% 名义值范围内。我们采用先前研究[8]中的一种方法来计算时间平均值 R R RR 和 C C CC ，它们分别为 22.1 k Ω 22.1 k Ω 22.1kOmega22.1 \mathrm{k} \Omega 和 1.83 nF。要驱动 DEA，ICP-TENG 需要将等效电容器充电至 1500 V，这意味着每个致动周期需要 ( 1 2 C V 2 ) 1 2 C V 2 ((1)/(2)CV^(2))\left(\frac{1}{2} C V^{2}\right) 2 mJ 的能量。

ICP-TENG 产生双极输出电压，而 DEA 需要单极驱动信号。我们在 ICP-TENG 和 DEA 之间构建了整流电路（图 4d、e）。在这些电路原理图中，ICP-TENG 被模拟为一个电压源和一个串联的可变电容，DEA 被模拟为一个串联的电容-电阻负载，高压齐纳二极管与 DEA 并联，用于过压保护。全波整流器（图 4d）通过使用四个二极管将双极性信号转换成单极性信号。

相比之下，电压倍增器（图 4e）仅使用两个二极管就能提高 ICP-TENG 的输出电压，从而降低了传导和开关损耗。图 4f 说明了电压倍增器设计的工作原理。当 ICP-TENG 产生负电压时（图 4f-i），电荷通过并联的二极管流向顶部电极。在这一阶段，没有电荷流向 DEA。接下来，ICP-TENG 产生正电压（图 4f-ii），所有存储的电荷都输送到 DEA，从而提高了输出电压。图 4 g 比较了 ICP-TENG 没有电荷时的性能。

图 4.a) 100 毫克 DEA 的图像。 b) DEA 在 1500 V 的驱动输入下承受 13 % 13 % 13%13 \% 应变。通过线性四杆传动装置，DEA 的线性驱动装置驱动机器人的拍翼运动。f) ICP-TENG 与电压倍增器电路连接时的工作原理。 g) ICP-TENG 与不同整流电路连接时 40 M Ω 40 M Ω 40MOmega40 \mathrm{M} \Omega 负载上输出电压的比较。与全波电桥电路相比，电压倍增器电路的电压高出 2.8 倍。 i) 测量的 DEA 伸长率与 TENG 旋转的函数关系。a、b) 中的比例尺为 2 毫米。

测量结果表明，ICP-TENG 在不进行整流的情况下产生双极性电压，而全波整流器和电压倍增器则将输出转换为正驱动信号。测量结果证实，ICP-TENG 在不进行整流的情况下产生双极性电压，而全波整流器和电压倍增器则将输出转换为正驱动信号。 NR , FB NR , FB NR,FB\mathrm{NR}, \mathrm{FB} 和 VD 电路的最大正输出电压为 400 V , 900 V 400 V , 900 V 400V,900V400 \mathrm{~V}, 900 \mathrm{~V} 、

和 1640 V，相应地传递到 40 M Ω 40 M Ω 40MOmega40 \mathrm{M} \Omega 负载电阻的能量分别为 104 μ J , 85.4 μ J 104 μ J , 85.4 μ J 104 muJ,85.4 muJ104 \mu \mathrm{~J}, 85.4 \mu \mathrm{~J} 和 256.6 μ J 256.6 μ J 256.6 muJ256.6 \mu \mathrm{~J} （图 S6a，补充材料）。与 NR 情况相比，FB 设计的能量减少了 18%，这可能是二极管传导和开关损耗造成的。与此相反，VD 设计显示出 2.5 倍的能耗增加。

图 5.a) 由 ICP-TENG、储能器、调节器和机器人组成的电路原理图。 b) 电路调节器的工作原理。在每个启动周期内，DEA 通过存储电容充电，然后通过负载电阻放电。 c) DEA 上测量到的驱动电压（橙色）类似于方波。d) 静态拍打翼实验装置的图像。 e) 机器人拍打翼在一个周期内的运动图像序列。i) 测量到的机翼冲程振幅与时间的函数关系。d,e) 中的比例尺为 1 厘米。

如图 4f-i 所示，定子上的电荷积聚可能会产生输出能量。当电荷流向图 4f-ii 中的 DEA 时，这一过程会进一步增强电压的产生。这些输出电压和能量的改善对于 ICP-TENG 驱动高压 DEA 至关重要。

我们比较了 FB 和 VD 为 DEA 供电时的性能。根据图 4d-e 所示的电路原理图，我们测量了 DEA 两端电压与 ICP-TENG 转数的函数关系（图 4h）。ICP-TENG 有 4 段，角速度为 10 rps。完成 5 圈后，FB 和 VD 电路分别将 DEA 充电至 500 V 和 1400 V。相应的输出能量分别为 270 μ J 270 μ J 270 muJ270 \mu \mathrm{~J} 和 1790 μ J 1790 μ J 1790 muJ1790 \mu \mathrm{~J} （图 S6b，补充材料），表明 VD 设计更具优势。我们还测量了 DEA 伸长率与 ICP-TENG 转数的函数关系（图 4i）。DEA 的长度为 8 毫米，在 ICP-TENG 旋转 5 圈后，其伸长率达到 0.9 毫米（图 4i）。这一结果表明 DEA 达到了 11.3 % 11.3 % 11.3%11.3 \% 的静态应变。

由于 DEA 可在 5 圈后充电至 1400 V，而 ICP-TENG 的工作频率为 10 rps，这意味着 ICP-TENG 每秒可为 DEA 充电两次。这足以实现低频机器人驱动，但无法演示需要 400 赫兹驱动的机器人升空。400 赫兹的拍动频率是根据系统共振特性确定的，而系统共振特性取决于 DEA 的几何形状、传输比和机翼尺寸。我们在之前的研究中报告了详细的设计过程[6]。为了实现机器人升空，驱动电路必须存储从 ICP-TENG 收集到的能量，并在较短的时间内释放出来。下一节将介绍实现空中机器人升空的能量存储和控制电子电路设计。


2.4.利用 ICP-TENG 实现软机器人升空


我们设计了一个电路，用于存储采集到的能量并控制机器人的运行。该电路由存储级和稳压级组成（图 5a）。首先，存储级对 TENG 产生的电压进行整流，并将能量存储在电容器 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 中。在 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 充电至约 1500 V 后，稳压级向机器人发送 400 Hz 方波驱动信号。稳压器级包含一个微控制器 (MCU)，用于控制两个开关 MOSFET。在第 1 阶段，MCU 打开 Q 1 Q 1 Q_(1)\mathrm{Q}_{1} 和 Q 2 Q 2 Q_(2)\mathrm{Q}_{2} ，使能量从存储电容器 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 流向 DEA（图 5b-i）。高电阻 R 1 R 1 R_(1)\mathrm{R}_{1} 可确保通过 Q 2 Q 2 Q_(2)\mathrm{Q}_{2} 的电流耗散微乎其微，大部分能量流向 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 。DEA 在 V H V H V_(H)\mathrm{V}_{\mathrm{H}} 高电压下充电，并在静电应力作用下伸长。在第 2 阶段，MCU 关闭 Q 1 Q 1 Q_(1)\mathrm{Q}_{1} 和 Q 2 Q 2 Q_(2)\mathrm{Q}_{2} ，使能量从 DEA 流向耗散电阻 R 2 R 2 R_(2)\mathrm{R}_{2} （图 5b-ii）。DEA 放电至 0 V，并缩回到最小长度。相位 1 和相位 2 以 400 Hz 的频率交替变化，由此产生的驱动信号 V DEA V DEA  V_("DEA ")V_{\text {DEA }} 类似于方波 ( 图 5 c )。

在之前的无人飞行器研究中[1,3-6,8]，大多数微尺度致动器都是由正弦波形驱动的。这些驱动信号可最大限度地降低致动器应变率，防止刚性致动器（如压电陶瓷）断裂。然而，正弦驱动波形很难产生，因为它们需要电感器和变压器等磁性元件。我们的电路能产生类似方波的波形（图 5c），适合驱动机械坚固的软致动器，如 DEA。在 DEA 的共振频率下，致动应变为正弦波，因为高次谐波被粘弹性阻尼过滤掉了。DEA 对方波的响应与其对同一信号的低通滤波谐波成分的响应相同（图 5c 中的虚线）。相比之下，用方波驱动 DEA 更为有利，因为方波能以较低的最大电压产生类似的运动。

为了评估 ICP-TENG 的性能，我们进行了静态拍翼实验（图 5d）。将一个 160 毫克的机器人连接到电路的输出端，同时将其安装在高速摄像机（Phantom VEO 710）前。首先，ICP-TENG 将存储电容器 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 充电至 1500 V。然后，稳压电路发出 400 Hz 和

向机器人提供 1500 V 的驱动信号。根据先前的特性[8]，在此工作条件下，DEA 大约能产生 0.25 N。机器人以 400 Hz 的频率拍打翅膀，运动记录为每秒 22000 帧。图 5e 和视频 S2（补充材料）展示了翅膀的上冲和下冲运动。根据这段高速视频，我们提取了瞬时的翅膀冲程和俯仰运动学数据（图 5f）。测得的机翼冲程和俯仰振幅分别为 48 ∘ 48 ∘ 48^(@)48^{\circ} 和 80 ∘ 80 ∘ 80^(@)80^{\circ} 。根据以前的空气动力学模型[40]，这种拍翼运动学对应于足够的升力。

与本文相关的补充材料可在线查阅：doi:10.1016/j.nanoen.2024.109602。

图 5g-i 展示了该实验中的充电和放电过程。ICP-TENG 在 420 秒内将 4.5 μ F 4.5 μ F 4.5 muF4.5 \mu \mathrm{~F} 存储电容器充电至 1540 V，相当于产生 5.4 J 的能量。在放电阶段，电能以 400 Hz 的频率传送到 DEA。在每个最初的拍翼期间，有 2.5 mJ 的能量流向 DEA，然后被电阻 R 2 R 2 R_(2)\mathrm{R}_{2} 耗散。在这次拍翼实验中，储存电容器中的能量逐渐减少。这导致电容器电压 V C 1 V C 1 V_(C1)\mathrm{V}_{\mathrm{C} 1} 和 DEA 电压 V DEA V DEA  V_("DEA ")\mathrm{V}_{\text {DEA }} 降低（图 5 h ）。因此，机器人的冲程运动（图 5i）和相应的提升力也随着存储能量的减少而减小。

除了静态拍击实验外，我们还演示了机器人升空。我们将机器人安装在围绕枢轴平衡的升力架上（图 6a）。如果机器人产生的升力超过其重量，那么它就会向上升起。图 1e 和视频 S3（补充材料）显示了机器人升空的合成图像。在不携带有效载荷的情况下，机器人在 95 毫秒内上升了 2.7 厘米。我们通过跟踪旋转角度测量升力，然后将运动拟合到动态模型 [8]。我们将初始电压从 1440 V 变为 1540 V，发现机器人的升力与重量比从 1.32 增至 1.75（图 6b）。

与本文相关的补充材料可在线查阅：doi:10.1016/j.nanoen.2024.109602。

我们还进行了有效载荷提升实验，在平衡梁上安装了一个附加质量。机器人和有效载荷到枢轴的距离分别为 9.3 厘米和 8.2 厘米。在模型拟合[8]中使用这两个值来计算净提升力。当机器人携带 50 毫克有效载荷时，它在 150 毫秒内上升了 2.6 厘米（图 6c）。我们重复了机器人携带 102 mg , 123 mg 102 mg , 123 mg 102mg,123mg102 \mathrm{mg}, 123 \mathrm{mg} 和 144 毫克有效载荷的实验。这些升空实验如图 S7（补充材料）和视频 S4（补充材料）所示，相应的光束角测量结果如图 6d 所示。在这些实验中，机器人的提升力随着供电电压的降低而减小。如图 6d 所示，驱动电压 V DEA V DEA  V_("DEA ")V_{\text {DEA }} 的降低导致平衡梁旋转回起始位置。为了延长升空持续时间，我们可以增加存储电容器 C 1 C 1 C_(1)\mathrm{C}_{1} 中的净能量。图 6 e 6 e 6e6 e -f 显示了随着存储电容的增加而产生的充电和放电电压曲线。

与本文相关的补充材料可在线查阅：doi:10.1016/j.nanoen.2024.109602。

总之，静态拍打和升空实验表明，ICP-TENG 能够产生高电压信号，为 DEA 驱动的无人飞行器提供动力。无人飞行器的最大升重比可达 1.75，足以携带陀螺仪 [41]、磁力计 [42] 和照相机 [43] 等小型有效载荷。然而，ICP-TENG 无法实时操作 MAV，因为输出功率无法满足 DEA 的高功率要求。为了解决这一难题，我们设计了能量存储和控制电路，可以逐步存储能量，并将其脉冲式地释放到 DEA 上。在下一节中，我们将介绍这种设计的优势和局限性。我们还将进一步讨论基于 TENG 的软机器人驱动系统的未来发展方向。

图 6.a) 升空实验装置的图像。 b) 作为驱动电压函数的升重比测量值。 c) 显示机器人携带 50 毫克有效载荷升空的合成图像。e) 充电和 f) 放电阶段测量到的存储电容器电压振幅。a,c)中的刻度线代表 1 厘米。

  3.结论


在这项工作中，我们提出了一种 ICP-TENG 设计，将主 TENG 和次级电荷泵结合在同一平面上，为高电压和高功率 MAV 供电。这种紧凑型设计适用于因有效载荷和空间有限而难以携带单独电荷泵的移动机器人系统。与传统的独立模式 TENG 相比，我们的 ICP-TENG 在输出电压和能量方面实现了 280 % 280 % 280%280 \% 和 920 % 920 % 920%920 \% 的提升。这一重大改进使得以 TENG 为动力的软式空中机器人首次进行了升空演示。通过整流、存储和控制电路元件，ICP-TENG 驱动系统可产生 1540 V 和 400 Hz 的信号，为机器人供电。160 毫克的机器人以 48 ∘ 48 ∘ 48^(@)48^{\circ} 的冲程振幅在 400 赫兹的频率下扇动翅膀，并达到 29 cm / s 29 cm / s 29cm//s29 \mathrm{~cm} / \mathrm{s} 的上升速度。这一演示相当于 1.75 的升重比，这意味着将来可以携带更多的传感器。

在之前的许多研究中，TENGs 被用于收集能量，然后为传感器网络供电。这项工作表明，TENGs 还能驱动高电压和高功率致动器，并能实现飞行等高能耗运动。这一成果代表了 TENGs 未来发展和应用的一个令人兴奋的研究方向。此外，我们还证明了软人造肌肉在动态条件下的鲁棒性优势。压电双晶体等刚性微尺度致动器需要正弦驱动波形以避免断裂，而 DEA 由于材料顺应性，可以在方波驱动信号下安全运行。这一特性以及对高压驱动信号的要求，使 TENGs 特别适合驱动 DEA 驱动机器人系统。我们希望未来的研究能开发出由 TENG 驱动的 DEA 陆地、水上和空中机器人。

由于输出功率密度有限，我们的 ICP-TENG 无法为飞行持续供电。在这项工作中，ICP-TENG 在 420 秒内将 4.5 μ F 4.5 μ F 4.5 muF4.5 \mu \mathrm{~F} 电容器充电至 1540 V，相当于 13 mW 的平均输出功率。通过电压倍增器和控制电路，ICP-TENG 可以以 2 Hz 的频率连续驱动 DEA。虽然这种低频驱动足以满足地面和

水上运动，但离实现连续飞行还很远。未来的工作可以重点关注三个方向。首先，可以改进能量存储和控制电路，实现能量循环利用。在目前的设计中，能量在放电阶段通过电阻 R 2 R 2 R_(2)R_{2} 耗散，导致平均功耗为 1 W。在之前的工作 [40] 中，我们展示了一个类似的机器人，当它由商用放大器（Trek 2220）驱动时，功耗仅为 100 mW。如果能将能量回收到存储电容器中，驱动电子设备的效率将大大提高。除了能量回收，还需要改进驱动电路，以改变输出电压，从而实现悬停或轨迹跟踪等可控飞行演示。这些功能可以通过对 MOSFET 开关实施闭环控制来实现。其次，可以通过改变机翼尺寸和拍打频率来提高机器人的空气动力学效率。该机器人在 400 Hz 频率下工作时具有很高的灵活性 [8]，但其气动效率比最先进的无人飞行器低约 10 倍 [22]。为了提高机器人的升力功率比，未来的工作可以扩大机翼尺寸，降低拍翼频率。最后，未来的研究可以通过堆叠更多的 TENG 层、开发新的三电材料和提出新的几何设计来继续提高 TENG 的净输出功率。我们设想，未来的 TENG 将为各种传感器、致动器和机器人系统在充满挑战的环境中提供动力。

  4.实验部分


4.1.制作 ICP-TENG


我们为构建 ICP-TENG 准备了以下薄膜材料清单：全氟烷氧基烷（PFA；BB3010-2-12，Scientific Commodities）、氟化乙烯丙烯（FEP；BB3090-2-A，Scientific Commodities）、聚四氟乙烯（PTFE；15-2 F-12，CS Hyde）、聚酰亚胺（PI；18-1 F-12，Cole-Parmer）、聚醚醚酮（PEEK；37-2 F-26，CS Hyde）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET；48-2 FOC，CS Hyde）、聚酰胺（PA；WL6400，CSTsales.com）和铝（Al；WOD AFTR36，WOD Tape）。这些材料的薄膜厚度为

50 μ m 50 μ m 50 mum50 \mu \mathrm{~m} 。我们还准备了喷胶（乐泰 2267077）和橡胶带（Dualplex），用于粘合不同的材料层。

首先，用乙醇和去离子水清洗每张薄膜。然后用氮气对薄膜进行干燥。然后，用 CO 2 CO 2 CO_(2)\mathrm{CO}_{2} 激光器（Versa VLS 3.50）切割非导电薄膜。铝膜和橡胶带用紫外线（UV）激光器（LPKF U4）切割。

定子和转子分别制造。在制作定子时，首先将铝膜（乐泰 2267077）喷在 2 毫米的丙烯酸基板（Jetec）上。然后，在 Al 2 Al 2 Al_(2)\mathrm{Al}_{2} 电极顶部放置 PFA 薄膜，这与图 2a 中的 PFA 2 PFA 2 PFA_(2)\mathrm{PFA}_{2} 层相对应。在 PFA 2 PFA 2 PFA_(2)\mathrm{PFA}_{2} 未覆盖的区域放置了图案化 PA 薄膜。为了完成定子结构，在定子周围放置了一个环形铝 ( Al 1 ) Al 1 (Al_(1))\left(\mathrm{Al}_{1}\right) 电极。该结构与转子的 Al 1 Al 1 Al_(1)\mathrm{Al}_{1} 电极保持接触，因此在设备旋转时，所有 Al 1 Al 1 Al_(1)\mathrm{Al}_{1} 部分都处于电气连接状态。数据线连接到定子上的环形铝而不是转子上的 Al 1 Al 1 Al_(1)\mathrm{Al}_{1} 电极，以防止旋转过程中电线缠绕。

接下来，我们用同样的方法构建转子。铝膜被用作转子电极（ Al 1 Al 1 Al_(1)\mathrm{Al}_{1} 区域图 2a），其结构可防止旋转过程中电线缠绕。转子电极通过橡胶带（Dualplex）固定在丙烯酸基板上。在 Al 1 Al 1 Al_(1)\mathrm{Al}_{1} 层覆盖的区域放置了电荷泵浦层（ PFA 1 PFA 1 PFA_(1)\mathrm{PFA}_{1} ）。在图 3b-c 所示的实验中，我们相应地改变了薄膜材料，但保持了相同的设计几何形状。除非另有说明，否则 TENG 由直径为 22.8 cm 的 4 段组成，并以 10 rps 的相同转速驱动。


4.2.软 M A V M A V MAVM A V 的制造


机器人的设计和制造基于之前的一项工作[6]中描述的方法。机器人由碳纤维机身、DEA、一对连接器、机翼、传动装置和机翼铰链组成。图 S8（补充材料）描述了 DEA 的制造过程。首先，以每分钟 2000 转的速度混合 Elastosil P7670（Thinky AR-100）并将其倒在丙烯酸基底上。在旋涂机（Specialty Coating Systems，G3P-8）上以 1500 rpm 的转速旋涂基底。然后，在 60 ∘ C 60 ∘ C 60^(@)C60^{\circ} \mathrm{C} 下对弹性体层进行 5 分钟的热固化。在固化的弹性体层上放置掩膜，然后将单壁碳纳米管（SWCNT，Invisicon 3500，Nano-C Inc）转移到弹性体上作为电极。此过程重复 6 次，以构建多层结构。接着，用可编程切割机（Silhouette Cameo）切割出一个 52 mm × 9 mm 52 mm × 9 mm 52mmxx9mm52 \mathrm{~mm} \times 9 \mathrm{~mm} 矩形，以释放多层弹性体。电极层（补充材料图 S8 中的蓝色和红色轮廓）偏移 0.5 毫米，以便进行导线连接。人工将弹性体-电极多层卷成圆柱形外壳，然后在其两端放置导电碳纤维板。制成 DEA 后，将电线连接到两块板上。

机器人机身、机翼、传动装置、机翼铰链和连接器均采用智能复合材料制造（SCM）方法制造 [44]。机身由 8 个平面碳纤维组件组成，由人工组装。连接器由玻璃纤维板和碳纤维板组成。机翼由聚酯薄膜、粘合剂和碳纤维制成。机翼铰链和传动装置由碳纤维、聚酰亚胺和粘合剂组成。聚酰亚胺材料在这些结构中起到顺应挠性的作用。在组装过程中，首先将传动装置安装在机身上。然后，将连接器粘贴到变速器上。之后，将 DEA 组装到机身上。最后，将一对机器人机翼和铰链插入机器人传动装置。组装好的机器人如图 S8（补充材料）所示。


4.3.ICP-TENG 表征实验


中的电路由以下元件构成

图 5：镀银铜线（EPX343HT，SME）、MCU（Arduino Uno）、电容器（399-19719-ND、399-13875-ND，KEMET）、二极管（2721-DD1000TR-ND，Diotec Semiconductor）、高压 N 沟道 MOSFET（G3R450MT17D，GeneSiC Semiconductor）和齐纳二极管（1N5281B，Microchip Technology）。配备高压探头（P5100A，泰克公司）的示波器（TDS2000，泰克公司）用于测量 ICP-TENG 的输出电压。根据 0.1 M Ω 0.1 M Ω 0.1MOmega0.1 \mathrm{M} \Omega 负载电阻上的电压计算出 TENG 的输出电流。为了在表征实验中精确控制 TENG 的旋转速度，设置了一个电机（BL34E27，Lin Engineering）来驱动 ICP-TENG。在不同的实验中，电机转速从 2 rps 到 20 rps 不等。

  作者声明


Y.L.和Y.C.构思想法、设计实验并制作了TENG。S.K.、Y.-H.H、Y.L.和 Y.C. 制作了软蝇。Y.L.、Z.R和Y.-H.H.进行实验。Y.L.、Z.R.、W.J. S.、Y.-H.H. 和 Y.C. 分析数据。Y.L. 和 Y.C. 撰写了手稿。所有作者讨论了结果并对手稿发表了意见。


CRediT 作者贡献声明


陈玉峰：写作--审阅和编辑、写作--原稿、指导、方法学、资金获取、形式分析、概念化。李成国：写作-审阅和编辑、方法学。宋元俊写作--审阅和编辑、形式分析。Suhan Kim：写作--审阅和编辑、方法论、形式分析。Yi-Hsuan Hsiao：写作--审阅和编辑、方法论、形式分析。Zhijian Ren：写作--审阅和编辑、方法论、形式分析。Younghoon Lee：写作--审阅和编辑、写作--原稿、方法论、资金获取、形式分析、概念化。


竞争利益声明


作者声明，他们没有任何可能会影响本文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

  数据可用性


数据将应要求提供。

  致谢


这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）（编号：2021R1C1C2009703）的支持。它还得到了国家科学基金会（FRR-2202477 和 FRR-2236708）的支持。本材料中表述的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，不代表美国国家科学基金会的观点。Yi-Hsuan Hsiao 由 MathWorks 工程奖学金资助。


附录 A.辅助资料


本文的相关补充数据见在线版本，网址为 doi:10.1016/j.nanoen.2024.109602。

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李英勋教授在庆熙大学机械工程系获得学士学位（2014年）和硕士学位（2016年），在首尔国立大学（SNU）材料科学与工程系获得博士学位（2021年）。2021-2023 年，他在首尔国立大学机械工程系担任高级研究员，并在麻省理工学院（MIT）电子研究实验室担任博士后研究员。他目前是大韩民国加川大学机械工程系助理教授。他目前的研究兴趣包括离子电子学、离子材料、软机器人和三电纳米发电机。

任志坚先生是麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）的博士生。他在卡内基梅隆大学获得机械工程硕士学位，在上海交通大学获得自动化学士学位。他的研究重点是从执行、动力和设计角度研究微型空中机器人的动力自主性。他的研究成果曾获得 2021 年 TRO 最佳论文奖。他曾获得 Grass Instrument Company 奖学金和麻省理工学院 MathWorks 奖学金。

萧一轩先生是麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）的博士生。他对微型飞行器的设计和控制感兴趣。萧以轩在香港城市大学获得机械工程学士学位。他是麻省理工学院 Campbell L. Searle 研究生奖学金和 MathWorks 工程奖学金的获得者，并获得台湾政府颁发的政府奖学金。

    • 通讯作者美国马萨诸塞州剑桥市马萨诸塞大道 77 号麻省理工学院电子工程与计算机科学系，邮编 02139。

    电子邮件地址：yufengc@mit.edu (Y. Chen)。