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。