Multilaminate piezoelectric PVDF actuators to enhance performance of soft micro robots

📄 arXiv: 2511.12380v1 📥 PDF

作者: Nicholas Gunter, Heiko Kabutz, Kaushik Jayaram

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-15

💡 一句话要点

多层压电PVDF驱动器提升软体微型机器人性能

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 压电驱动器 PVDF 软体机器人 微型机器人 多层结构 压电材料 微机电系统

📋 核心要点

  1. 现有软体微型机器人驱动器存在带宽低、驱动力不足等问题，限制了其应用。
  2. 论文提出一种多层PVDF压电驱动器，通过控制层厚和层数，优化驱动器的性能。
  3. 实验结果表明，该驱动器在低电压下实现了较大的挠度、阻塞力和较高的频率，并成功应用于微型机器人。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种利用多层压电聚偏二氟乙烯（PVDF）驱动器来增强软体微型机器人系统性能的方法。该方法开发并表征了具有跨每层并行电压分布的多层PVDF驱动器，从而在脆性高力PZT堆栈和柔顺但较低带宽的软聚合物驱动器之间架起了一个独特的设计空间。研究展示了层厚和层数对驱动器性能的影响，并验证了其与第一性原理模型的吻合性。通过改变这些参数，我们展示了能够在低至150伏电压下运行，且自由挠度>3毫米、阻塞力>20毫牛、频率>=500赫兹的驱动器。为了说明其在机器人集成方面的潜力，我们将驱动器集成到一个平面平移微型机器人中，该机器人利用共振来实现运动，并对大型扰动具有鲁棒性。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体微型机器人通常采用软聚合物驱动器，虽然具有良好的柔顺性，但其驱动力较小，带宽较低，难以满足复杂任务的需求。而传统的压电陶瓷（PZT）驱动器虽然具有高力特性，但其脆性较大，难以与软体机器人集成。因此，需要一种兼具高力特性和良好柔顺性的驱动器。

核心思路：论文的核心思路是利用多层PVDF压电材料，通过控制层厚和层数，实现驱动器性能的优化。PVDF材料具有良好的柔顺性和压电特性，多层结构可以提高驱动器的驱动力。同时，采用跨每层并行电压分布的设计，可以在较低电压下实现较大的驱动力。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个部分：1) 多层PVDF驱动器的设计与制造；2) 驱动器性能的表征，包括自由挠度、阻塞力和频率响应等；3) 驱动器性能与层厚、层数等参数关系的建模与分析；4) 将驱动器集成到平面平移微型机器人中，验证其在机器人集成方面的潜力。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种多层PVDF压电驱动器，该驱动器兼具高力特性和良好柔顺性；2) 采用跨每层并行电压分布的设计，降低了驱动电压；3) 通过实验和建模分析，揭示了层厚和层数对驱动器性能的影响。

关键设计：关键设计包括：1) PVDF薄膜的厚度选择，需要权衡驱动力和柔顺性；2) 层数的选择，增加层数可以提高驱动力，但也会增加驱动电压；3) 电极的设计，需要保证电压的均匀分布；4) 驱动器的封装，需要保证驱动器的稳定性和可靠性。

📊 实验亮点

实验结果表明，该多层PVDF驱动器在150伏电压下，实现了>3毫米的自由挠度、>20毫牛的阻塞力以及>=500赫兹的频率响应。此外，将该驱动器集成到平面平移微型机器人中，实现了稳定的共振运动，并对大型扰动具有鲁棒性，验证了其在机器人集成方面的潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于生物医学工程、微型机器人、柔性电子等领域。例如，可用于开发微创手术机器人、药物递送系统、微型传感器等。未来，通过进一步优化驱动器的性能和集成方式，有望实现更复杂、更智能的软体微型机器人系统。

📄 摘要（原文）

Multilayer piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) actuators are a promising approach to enhance performance of soft microrobotic systems. In this work, we develop and characterize multilayer PVDF actuators with parallel voltage distribution across each layer, bridging a unique design space between brittle high-force PZT stacks and compliant but lower-bandwidth soft polymer actuators. We show the effects of layer thickness and number of layers in actuator performance and their agreement with a first principles model. By varying these parameters, we demonstrate actuators capable of >3 mm of free deflection, >20 mN of blocked force, and >=500 Hz, while operating at voltages as low as 150 volts. To illustrate their potential for robotic integration, we integrate our actuators into a planar, translating microrobot that leverages resonance to achieve locomotion with robustness to large perturbations.