我校與加州大學(xué)Berkeley分校合作研制首個實現(xiàn)飛行的微撲翼靜電驅(qū)動器

       2015年1月18日-1月22日，IEEE第28屆國際微機電系統(tǒng)會議（International Conference on Micro Electro Mechanical Systems，簡稱MEMS 2015）在葡萄牙Estoril舉行。在會議開幕的當(dāng)天上午，我院閆曉軍教授做了題為《Self-Lifting Artificial Insect Wings via Electrostatic Flapping Actuators》的大會報告（作者：Xiaojun Yan, Mingjing Qi, Linwei Lin），介紹了我校與加州大學(xué)Berkeley分校合作研制的微撲翼靜電驅(qū)動器（圖1）。該驅(qū)動器采用直流電壓作為輸入，驅(qū)動蜜蜂翅膀產(chǎn)生與昆蟲非常相似的撲翼運動，產(chǎn)生的升力能夠克服撲翼結(jié)構(gòu)的自身重力，實現(xiàn)了其在導(dǎo)軌上的向上飛行。

圖1 閆曉軍做大會報告

       隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，人類研制昆蟲大小微型飛行器的夢想越來越接近現(xiàn)實。微撲翼驅(qū)動器作為此類飛行器的“心臟”，是研制過程中的難點。從工作原理上來看，靜電驅(qū)動具有高頻率、低功耗且易于微型化的優(yōu)勢；然而，若在微撲翼驅(qū)動中采用目前傳統(tǒng)的靜電驅(qū)動器，則不僅需要復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交流電來驅(qū)動，而且驅(qū)動電壓不能超過一個臨界值（正負極會接觸產(chǎn)生短路），因此驅(qū)動效率較低，很難產(chǎn)生有效升力。
        為解決上述問題，北航與加州大學(xué)Berkeley分校合作，提出了一種新結(jié)構(gòu)形式的微撲翼靜電驅(qū)動器。該驅(qū)動器基于航空領(lǐng)域機翼或者葉片的“顫振”原理，采用直流電源作為輸入，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，使金屬微梁在靜電場中產(chǎn)生大幅的自激振動，繼而帶動翅膀?qū)崿F(xiàn)仿生撲動（圖2）。與以往的微撲翼驅(qū)動器相比，該裝置在工作原理上更接近昆蟲飛行肌肉的“自激”振動，在驅(qū)動效率和微型化方面也很有優(yōu)勢。在后續(xù)研究中，北航將主要負責(zé)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和氣動優(yōu)化設(shè)計，加州大學(xué)主要負責(zé)MEMS相關(guān)研究，以便進一步優(yōu)化驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，提高驅(qū)動器的輸出升力，最終實現(xiàn)飛行器的自主飛行。
        IEEE的 MEMS年會是國際微／納米系統(tǒng)領(lǐng)域最具影響的頂尖學(xué)術(shù)會議，從1988年至今已舉辦28屆。來自世界各地26個國家和區(qū)域的550余名微/納米系統(tǒng)領(lǐng)域的專家學(xué)者、研究生參加了今年的會議。此次大會共收到719篇投稿論文，其中國內(nèi)有8篇論文被錄用為大會報告。

圖2 微撲翼靜電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意及撲動照片