這是有關(guān)活塞的大新聞。不是那支綽號“壞小子軍團(tuán)”的位于美國底特律的 NBA 球隊(duì)，而是在生活、工業(yè)中無處不在，卻又很少被關(guān)注的基礎(chǔ)機(jī)械零件。麻省理工學(xué)院（MIT）和哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種設(shè)計(jì)活塞的新方案，借助一個(gè)使用柔性材料制成的膜內(nèi)可壓縮結(jié)構(gòu)的機(jī)械裝置來取代傳統(tǒng)的剛性活塞組件，由此制作出的“張力活塞”可產(chǎn)生傳統(tǒng)活塞三倍以上的力，同時(shí)極大地消除了摩擦，在低壓條件下可提高近 40% 的能量轉(zhuǎn)化效率。假使有一天，這種新型活塞可以應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)里，可以讓汽車等交通工具的驅(qū)動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性得到顯著提升。

“我們重新發(fā)明了已有 300 多年歷史的活塞”，李曙光用一句話總結(jié)這項(xiàng)成果的意義。這項(xiàng)研究近日發(fā)表在 Advanced Functional Materials 雜志上，研究由 MIT 的中國博士后研究員李曙光、哈佛大學(xué)的羅伯特·伍德（Robert Wood）教授和 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室主任丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）教授共同主持。

“跨界”碰出的突破

活塞的概念首次出現(xiàn)在 1690 年，發(fā)明了高壓鍋的英國物理學(xué)家丹尼斯?帕平（Denis Papin），在壓力鍋的研究基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型，即利用蒸汽推動(dòng)活塞來做功。我國明代崇禎年間的百科全書《天工開物》中也描述過類似的活塞裝置。傳統(tǒng)的活塞是由一個(gè)硬質(zhì)缸體和運(yùn)動(dòng)活塞組成，為保持內(nèi)部緊密的密封狀態(tài)，活塞需要緊貼著缸體內(nèi)壁滑動(dòng)。因此，活塞內(nèi)分為兩個(gè)充滿兩種流體（可以是水、油或者氣體）的空間，并連接到兩個(gè)外部的流體源。如果流體存在不同的壓力，活塞就會(huì)滑向壓力較低的方向，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)活塞桿或其他裝置的運(yùn)動(dòng)。這一原理已被用于設(shè)計(jì)許多機(jī)器，包括各種活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓升降機(jī)、電動(dòng)工具、減震器和起重機(jī)等。然而，傳統(tǒng)活塞存在幾個(gè)缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)活塞與腔室內(nèi)壁之間的高摩擦力會(huì)導(dǎo)致密封失效、泄漏，以及逐漸產(chǎn)生或突然出現(xiàn)的故障等。使用過液壓裝置的人應(yīng)該都會(huì)發(fā)現(xiàn)，活塞兩邊大多都布滿油漬、比較臟，這就是內(nèi)部的潤滑油或流體不可避免的泄露問題。此外，在較低的壓力條件下，傳統(tǒng)活塞的能量轉(zhuǎn)化效率和啟動(dòng)響應(yīng)速度往往是受到限制的。李曙光在接受 DeepTech 采訪時(shí)表示，他本身是機(jī)械制造的科研背景，之前一直專注于模塊化機(jī)器人領(lǐng)域，其中包含了各種新概念的機(jī)器人。最近幾年，機(jī)器人領(lǐng)域興起了一個(gè)熱點(diǎn)研究方向——軟體機(jī)器人，就是用“軟”材料來做新式的機(jī)器人。目前有很多材料專家、機(jī)器人專家都投入其中，幾乎每年都能有兩、三篇關(guān)于軟體機(jī)器人、柔性裝置的論文在頂級期刊發(fā)表。

而在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，李曙光的研究重點(diǎn)是如何應(yīng)用柔性材料（硅膠、泡沫或紡織物等），或者制備特殊的柔性復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)原本機(jī)器人沒有的功能，以便機(jī)器人可以更安全地與人交互。在柔性機(jī)器人研究領(lǐng)域，最為關(guān)鍵的兩點(diǎn)分別是新型驅(qū)動(dòng)器和傳感器的設(shè)計(jì)。柔性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器研究則涉及使用何種材料來制造，是選擇電動(dòng)、氣動(dòng)還是液壓驅(qū)動(dòng)等問題。李曙光目前專注于氣動(dòng)領(lǐng)域，想辦法如何使用壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)“人工肌肉”。使用柔性材料對活塞重新設(shè)計(jì)，與李曙光之前的研究工作一脈相承，當(dāng)他嘗試使用柔性材料做驅(qū)動(dòng)器時(shí)，發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)出的性能比傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的設(shè)計(jì)還要好。軟的比硬的還強(qiáng)？這是個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)之后，很多人自然就會(huì)將它和現(xiàn)有工業(yè)上使用的液壓或者氣動(dòng)的活塞、壓氣缸進(jìn)行對比。李曙光在聽到了大家好奇的疑問之后，激發(fā)了他作為科研學(xué)者的精神，索性決定親自實(shí)驗(yàn)一下。他把之前做的柔性驅(qū)動(dòng)器——“人工肌肉”裝在一個(gè)硬質(zhì)的缸體內(nèi)，就像現(xiàn)有的氣動(dòng)或液壓活塞一樣，之后再給缸體內(nèi)部加壓，進(jìn)而測試各種性能。經(jīng)過驗(yàn)證之后，發(fā)現(xiàn)柔性材料設(shè)計(jì)的新活塞結(jié)構(gòu)確實(shí)要比傳統(tǒng)活塞的性能強(qiáng)很多。這種使用了柔性材料的“張力”活塞可產(chǎn)生巨大的驅(qū)動(dòng)力，數(shù)倍大于已有 300 多年歷史的傳統(tǒng)活塞。新型“張力活塞”并不與缸體接觸，沒有了摩擦損耗，因而在低壓條件下可以快速響應(yīng)，同時(shí)其能量轉(zhuǎn)換效率可比傳統(tǒng)活塞高出約 40%。

圖 | a. 傳統(tǒng)活塞（左）和柔性材料活塞（右）的工作原理；b. 柔性材料活塞的實(shí)驗(yàn)室原型；c & d. 在相同驅(qū)動(dòng)氣壓下，傳統(tǒng)活塞（氣動(dòng)）與柔性材料活塞的壓碎對比（P.s.右側(cè)肉眼可見的性能優(yōu)異）；e. 比較了傳統(tǒng)活塞（氣動(dòng)-藍(lán)色）和兩種不同柔性材料活塞（紅&黃色）的輸出力 （來源：李曙光）柔性材料設(shè)計(jì)的新活塞性能優(yōu)異的原因，在于其跳出了物理學(xué)領(lǐng)域中的壓力與壓強(qiáng)關(guān)系的限制，即傳統(tǒng)活塞的輸出力等于缸體內(nèi)部壓力乘以截面積。這種柔性材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將密封腔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為柔性材料內(nèi)部的張力，直接傳遞到相連的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上。在此新型活塞中，柔性“皮膚”材料的表面積要遠(yuǎn)大于缸體的截面積。

普通材料結(jié)合帶來的不普通設(shè)計(jì)

每當(dāng)聽到有基于材料領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，大部分人的第一反應(yīng)多半會(huì)是：“這新玩意兒，得挺貴吧？”大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究成果在試圖轉(zhuǎn)化到應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，可能都存在成本造價(jià)太高、性價(jià)比低、很難投入大規(guī)模應(yīng)用等問題，從而被產(chǎn)業(yè)拒絕。這個(gè)“重新定義”的新型活塞，在制備過程中并沒有使用非常前沿的新型材料，而是通過對各種常見材料的組合設(shè)計(jì)而成。所以從材料成本角度來看，它與傳統(tǒng)活塞相比不會(huì)顯著增加。同時(shí)，由于使用的大多不是金屬材料，在相同力的輸出條件下，柔性材料制備的新型活塞應(yīng)該還會(huì)更加輕量化。

圖 | 制造柔性材料新活塞的材料和部件：#1 有機(jī)玻璃缸體、#2 TPU尼龍布、#3 碳鋼棒、#4 直線軸承、#5 扎帶、#6 骨架片、#7 缸蓋、#8 密封帽、#9 TPU線材、#10 3D打印軟墊、#11 橡膠管、#12 密封膠帶、#13 硅膠粘合劑、#14 螺栓螺母 （來源：李曙光）

在組件材料成本較低的同時(shí)，柔性材料新活塞的制作工藝也簡單易懂。李曙光對這項(xiàng)研究的后續(xù)計(jì)劃中曾考慮過，如果投入更大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用測試階段，現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備是可以滿足新型活塞的制作工藝的。

圖 | 柔性材料新活塞的制造工藝：步驟一。 將尼龍布與骨架結(jié)合；步驟二。 裝配軸、骨架和外殼；步驟三。 組合活塞、氣缸和蓋子 （來源：李曙光）

從實(shí)驗(yàn)室的耐久測試到應(yīng)用的可靠性判斷

除了材料和制造成本的問題之外，另一項(xiàng)尤為值得關(guān)注的，就是其在應(yīng)用層面上的可靠性。李曙光說，在做這個(gè)新型活塞實(shí)驗(yàn)之前誰也不知道結(jié)果到底如何。所以在性能測試表現(xiàn)很好之后，對新型活塞的實(shí)驗(yàn)室原型做耐久性測試就是很自然的一項(xiàng)工作。“我也想看看它到底怎么樣，萬一壞了，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也就算完了。”在做耐久性測試時(shí)，李曙光其實(shí)是很擔(dān)心的。但最終結(jié)果還是讓他長舒一口氣，在固定載荷條件下，新型活塞連續(xù)進(jìn)行了19 個(gè)小時(shí)的循環(huán)測試，往復(fù)驅(qū)動(dòng)超過一萬次。在這個(gè)過程中，新型活塞的實(shí)驗(yàn)室原型樣機(jī)表現(xiàn)得十分穩(wěn)定。

圖 | 耐久性循環(huán)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果：a. 實(shí)驗(yàn)裝置；b. 重復(fù)精度測試；c. 耐久性 （來源：李曙光）當(dāng)然，對于實(shí)際的工程應(yīng)用活塞來說，需要考慮的問題會(huì)是更加綜合且全面的。這種柔性材料的新型活塞目前所得到的性能測試，均是考慮了實(shí)驗(yàn)室在密封性、強(qiáng)度和安全性等多方面限制而進(jìn)行的整體設(shè)計(jì)與操作。未來，李曙光團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將實(shí)驗(yàn)規(guī)模向工程生產(chǎn)的角度進(jìn)一步拓展。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室原型所用材料本身以及粘結(jié)方法的限制，它暫時(shí)還不能在高溫和高壓的環(huán)境下使用。針對這一缺陷，李曙光表示這個(gè)問題也是下一階段他們團(tuán)隊(duì)研究的重心之一。因?yàn)槿绻雽⑿滦突钊玫桨l(fā)動(dòng)機(jī)里，使得汽車等交通工具的驅(qū)動(dòng)力得到顯著提升，首先要保證活塞能夠耐高溫、高壓，并且擁有更長時(shí)間的使用壽命?！斑@個(gè)問題的解決辦法應(yīng)該不難”，李曙光對此充滿信心，“我們目前已經(jīng)找到了幾種適合的、可以耐高溫高壓的柔性復(fù)合材料?！?/p>

更大的意義是賦予“活塞”新的概念

未來除了在柔性材料的選擇上需要探索，之前實(shí)驗(yàn)室原型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是單向作用的，其應(yīng)用效果類似千斤頂?shù)纫簤貉b置，而活塞通常都需要滿足往復(fù)運(yùn)動(dòng)的需求。“這是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的事情，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)最初只是為驗(yàn)證我的一個(gè)想法，更大的意義是提出并驗(yàn)證了一種新概念”，李曙光說，“我們在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上很有信心。之后讓新型活塞完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，甚者其他更多的運(yùn)動(dòng)模式都不是問題?！?/p>

圖 | 不同骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型活塞：傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式、完全“柔性”模式，以及可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式 （來源：李曙光）李曙光表示，該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最重要的意義，是賦予了“活塞”新的概念。“它給未來活塞設(shè)計(jì)帶來了更為有趣且豐富的拓展方向，其骨架結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成各種不同的形狀；同時(shí)，還可以滿足自定義輸出力的大小、方向等不同要求。”