熱驅動仿生
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2020-09-11
熱驅動仿生的實例教程
鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
財哥將以往設計的一些應用案例公開分享給大家，方便大家一起學習和參考。希望大家能夠在自己的領域獲得一定的啟發和收獲。
仿生機器人
一、手的案例
1、結構設計
驅動介紹：
可以實現任意手指的萬向運動，完全模仿人手的靈活性，接觸力柔和可控，碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動原理：以鈦絲相變實現 “收縮 - 恢復”，連續柔順，可模擬肌肉蠕動 / 彎曲帶動手關節彎曲和伸展。
2、實物形態
覆膜一副硅膠仿真手套，就可以實現功能、外觀的仿生效果了。
3、驅動電路設計和控制
驅動原理：每個手指配置4線鈦絲驅動即可完全模仿人手的靈活性，共計20線，可以采用4*5或2*10路的矩陣掃描驅動方案，具體設計原理可以翻看財哥前面的驅動電路設計文章。
4、技術特點
材料本征驅動
通電加熱引發馬氏體→奧氏體相變，實現3%–5% 可控應變的直接收縮，無需中間傳動，從原理上簡化動力鏈。
無磨損驅動與超彈性
可承受百萬次循環無損傷，超彈特性在碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動與感知一體化
電阻隨相變過程實時變化，可直接作為內置位置 / 力傳感器，減少外部傳感配置，降低系統復雜度。
展開 仿生手-纜繩驅動手 v1.0
2026年1月
這是一個伺服驅動的手，由4個MG996R伺服電機控制。一根橡皮筋從指關節根部系到指甲，一根細繩繞過手指下方，連接到伺服電機，用于下拉手指。
這是1.0版本，未來還將推出多個版本。未來版本的目標是盡可能地模擬人手的所有自由度運動。
軟體機械臂在工業生產、宇航作業，助老助殘、醫療康復，微創手術，復雜環境搜索與探測等領域具有廣闊的應用前景，近年來引起國內外學者和研究機構的廣泛關注，并取得一定進展，如Festo公司的仿生象鼻機器人、圣安娜高等學校研究的仿章魚軟體機械臂、歐盟資助的“FP7 STIFF-FLOP計劃”醫療機械臂、斯坦福大學的仿植物“生長型”軟體機器人等。
章魚臂肌肉結構圖
軟體機械臂的發展涉及仿生學，軟材料科學和機器人學等學科，目前在柔性材料、機器人建模與仿真、傳感與控制、多學科交叉應用等方向也面臨諸多挑戰。哈爾濱工業大學的閆繼宏、石培沛、張新彬、趙杰在《機械工程學報》2018年15期發表的《軟體機械臂仿生機理、驅動及建?？刂蒲芯堪l展綜述》一文中，將從仿生原理及應用、驅動方式、變剛度方式、建模與控制等方面對軟體機械臂的近期研究現狀進行論述，探討軟體機械臂技術研究中的難點、目前存在的問題及未來可能的發展趨勢。
總結與展望
軟體機械臂是軟體機器人領域的一個重要分支，拓展了傳統機械臂的研究方向和應用領域，其研究涉及材料學、仿生、機械設計和制造、傳感器技術等多學科交叉融合。目前關于軟體機械臂的研究主要集中在近幾年，尚處于起步階段，并引起國內外諸多學者及研究機構的廣泛關注，其主要驅動方式包括流體驅動、線驅動、PAM驅動、SMA驅動和EAP驅動等；從變剛度方式上看主要有拮抗作用、阻塞及材料相變三種類型，其中阻塞方式較為容易實現但需要額外驅動機構，拮抗作用實現需要機構的冗余驅動，相變方式能實現的剛度最大，但需要額外物理場進行控制；從建模和控制上看，主要基于分段常曲率和梁理論等剛性體建模方法對軟體機械臂進行運動學及動力學建模，其模型始終不夠精確。
展開 有別于傳統熱力學自組裝的方式，模擬這種化學能量驅動的耗散自組裝是真正構造仿生材料的基礎。
圖1. 化學能驅動的競爭型非平衡主客體系統策略示意圖
北京林業大學青年教師郝翔長期致力于化學能驅動的非平衡態系統材料研究，在前期相繼實現ATP能量驅動的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學能驅動的非平衡態流體的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發了一類ATP驅動的仿生“競爭”型非平衡態主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統能量分子-ATP雙重角色：化學能量單元和“耗散”型競爭客體，實現了ATP驅動的主客體非平衡態系統的建立，并成功將此策略運用于化學能驅動的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環糊精結構糖單元（β-CD），使其對能量分子ATP具有非常高的結合作用，結合常數達到106 M-1；而環糊精結構糖單元對通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結合常數只有104 M-1。利用模型化合物實驗可以發現，當ATP分子加入到β-CD/ADA中時，ATP會迅速破壞β-CD/ADA的結合而以“鳩占鵲巢”方式占據主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產物如ADP或者AMP卻無法實現對β-CD/ADA結合的破壞（圖1）。
展開 4月14日，復旦大學材料科學系梅永豐教授課題組在《科學·機器人學》（Science Robotics）上發表題為《仿生水黽的自驅動水凝膠》（“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”）的研究工作。博士研究生朱紅為第一作者，梅永豐教授為通訊作者，該工作得到復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室共享儀器平臺的大力支持。研究團隊從“0”出發，原創性地合成了一種具有動態疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅動運動，無需額外能量供給；飽和吸水后該活性水凝膠即停止運動，干燥處理可恢復活力，再次實現自驅動快速水面運動。
圖1.水黽在水面運動的照片（A），運動機理示意圖（圖A左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（B）；活性水凝膠水黽在水面運動的照片和軌跡圖（C），運動機理示意圖（圖C左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（D）；活性水凝膠水黽在有水的迷宮的水面自發找到出口的運動軌跡照片（E）；刺激響應性活性水凝膠水黽在受到pH刺激變形后靠岸行為的運動軌跡照片（F）及靠岸后的側視照片（圖F右上角插圖）。
研究團隊探索發現其運動機理和自然界的水黽在水面的運動存在共通之處。如圖1A和1C所示，都通過表面張力的差異驅動自身在水面運動；并且如圖1B和1D所示，運動速率的變化規律也非常一致。通過設計活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對稱性和周邊環境的表面親疏水性，研究團隊控制該活性水凝膠材料進行各種可控軌跡和定向的運動，例如模擬球類運動和走出迷宮運動（圖1E）等。
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【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療
一.技術參數
1.分析類型：穩態熱仿真
2.材料：Cooler：ADC12
3.邊界條件：Ambient temperature：85℃
Cooler face temperature:75℃
Air Convention:10W/(m2·K)
4.載荷：IGBT PowerLoss=30W/chip
Diode PowerLoss
仿生手-纜繩驅動手 v1.04個月前
仿生手-纜繩驅動手 v1.0
2026年1月
這是一個伺服驅動的手，由4個MG996R伺服電機控制。一根橡皮筋從指關節根部系到指甲，一根細繩繞過手指下方，連接到伺服電機，用于下拉手指。
這是1.0版本，未來還將推出多個版本。未來版本的目標是盡可能地模擬人手的所有自由度運動。
來源 | Science，研之成理
01
背景介紹
世界上約60%的能源以熱能形式被浪費，余熱的回收和管理對于節能減排具有重要意義。這就要求廢熱的有效利用和傳熱的主動控制。熱傳遞的一種形式是聲子傳輸，雖然調制聲子比電子面臨更大的挑戰，但由于聲子器件的概念化，聲子輸運的主動和可逆控制以減輕與熱相關的擔憂已經激發了人們廣泛的研究興趣。
來源 | Advanced Materials Technology
01
背景介紹
隨著電子器件的廣泛使用和集成電路的精細化和小型化，電子器件功率密度的不斷提高，單位時間內產生的大量廢熱將積聚在電子器件內部。大多數高精度電子器件對溫度波動極為敏感，因此對穩定的工作溫度有很高的要求。此外電子設備在運行過程中不可避免地會產生高頻電磁波的危害
摘要
為提升車規級氛圍燈LED驅動電路板(PCB)熱設計問題,該文提出了一種參數優化仿真的分析方法
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寫在前面
當前，電子產品朝著功能齊全、輕量化、低成本的方向發展，這種需求使得PCB板必須在高密度電流的情況下工作。一般來說，汽車電子產品在惡劣的環境中運行。在過去的幾十年中，電子在汽車行業中使用越來越多，其對輕量化和經濟高效電子的需求呈指數級增長
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