作為機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)稱驅(qū)動(dòng)常用于執(zhí)行抓取、剪切，或者某些微通道的快速對(duì)稱開啟、關(guān)閉，以及其它需要產(chǎn)生對(duì)稱運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)與控制的領(lǐng)域。比如，人體內(nèi)的微創(chuàng)手術(shù)，包括精密剪切、抓取腫瘤細(xì)胞，以及更精細(xì)的視網(wǎng)膜顯微剪切手術(shù)等。在MEMS領(lǐng)域，剪切或抓取操作本質(zhì)上可以歸結(jié)為末端執(zhí)行器的兩個(gè)線性對(duì)稱驅(qū)動(dòng)與操作。但是，目前幾乎沒有一種馬達(dá)可以直接產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)輸出，或者兩個(gè)對(duì)稱直線運(yùn)動(dòng)輸出的功能。

通常，為了產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)，比較簡(jiǎn)單的方法是利用一對(duì)電機(jī)協(xié)同完成：將兩個(gè)馬達(dá)定子串聯(lián)或并聯(lián)在一起，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)動(dòng)子做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；另外一種方案是借助一對(duì)反向螺紋副、或者一對(duì)反向齒輪副，將一個(gè)馬達(dá)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成一對(duì)線性對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。也有報(bào)導(dǎo)，利用一個(gè)壓電疊堆與復(fù)雜的柔性鉸鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)組合在一起，實(shí)現(xiàn)單向驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成雙輸出對(duì)稱驅(qū)動(dòng)。但是前兩種方案通常會(huì)使結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜，不利于器件的小型化和集成化；第三種方案通常只能產(chǎn)生非常有限的輸出行程及輸出力。因此，如何使一個(gè)馬達(dá)在不需要額外機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的前提下就可產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)，以及同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱直線運(yùn)動(dòng)輸出功能，對(duì)電機(jī)的微型化、精密化，以及驅(qū)動(dòng)性能的提升都具有重要意義。

近日，北京大學(xué)董蜀湘教授課題組在壓電MEMS領(lǐng)域獨(dú)辟蹊徑：發(fā)明了一種壓電馬達(dá)，只需一個(gè)壓電陶瓷，就可產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱運(yùn)動(dòng)輸出功能。而傳統(tǒng)上，需要利用兩個(gè)壓電陶瓷（定子）來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)動(dòng)子和產(chǎn)生對(duì)稱運(yùn)動(dòng)輸出。本發(fā)明的壓電馬達(dá)，其基本思想是利用一塊（2×3）序構(gòu)壓電陶瓷激發(fā)一階縱振動(dòng)模態(tài)和三階彎振動(dòng)模態(tài)，即L1-B3復(fù)合振動(dòng)模態(tài)，如圖1所示。這個(gè)振動(dòng)模態(tài)在其兩個(gè)端部產(chǎn)生方向相反的一對(duì)橢圓軌跡振動(dòng)，進(jìn)一步通過端部?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)頭的界面摩擦耦合可以直接驅(qū)動(dòng)一對(duì)動(dòng)子（滑塊），以相同的速度產(chǎn)生對(duì)稱的、同步的向內(nèi)或向外的直線運(yùn)動(dòng)。即無需額外的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，同步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)負(fù)載并產(chǎn)生對(duì)稱的相向或者背向運(yùn)動(dòng)，見圖2。發(fā)明的新的壓電馬達(dá)工作機(jī)制，對(duì)傳統(tǒng)的一個(gè)壓電定子只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)子的工作原理做出了變革性的改變。同時(shí)，這種對(duì)稱驅(qū)動(dòng)機(jī)制使壓電馬達(dá)工作效率提高了一倍。

圖1 對(duì)稱驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)定子的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

圖2 一塊壓電陶瓷變成兩個(gè)馬達(dá)：可同時(shí)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)兩個(gè)負(fù)載

進(jìn)一步地，將一副商用微創(chuàng)手術(shù)剪刀與該壓電馬達(dá)裝配在一起，壓電馬達(dá)可以產(chǎn)生剪切功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)微創(chuàng)手術(shù)剪刀的高精密對(duì)稱操作，其具體結(jié)構(gòu)如圖3A所示。此外，產(chǎn)生的剪切效應(yīng)又使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端部的輸出力提高了若干倍。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該馬達(dá)有如下優(yōu)勢(shì)：(i)快的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（~ 1 m/s）；(ii)高的步進(jìn)分辨率（40 nm）；(iii)高的功率密度（405.4 mW/cm3），是已有報(bào)道的兩倍以上；(iv)高的工作效率（22.1%）；(v)寬的速度調(diào)節(jié)范圍，見圖4。

圖3對(duì)稱壓電馬達(dá)與微創(chuàng)手術(shù)剪刀（剪切效應(yīng)）

圖4對(duì)稱壓電馬達(dá)的微納米操作功能

作為其進(jìn)一步的驗(yàn)證，使用該樣機(jī)進(jìn)行了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的剪切實(shí)驗(yàn)，如剪切銅導(dǎo)線、豬肉絲、牛肉片、腸道組織等，如圖5所示。故該馬達(dá)可進(jìn)一步應(yīng)用于顯微外科機(jī)器人中，進(jìn)行高精密的抓取、剪切等外科手術(shù)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該馬達(dá)用于精密微創(chuàng)手術(shù)的巨大潛力。

圖5 使用對(duì)稱驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)操作微創(chuàng)手術(shù)剪刀剪切銅線(a)、豬肉絲(b)、牛肉片(c)和腸道組織(d)的圖片

本工作提出的設(shè)計(jì)思想與策略對(duì)未來對(duì)稱驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，以及對(duì)未來微機(jī)電的發(fā)展也具有啟發(fā)意義。

這一成果近期在線發(fā)表在Research上（Q1區(qū)），題目為“A symmetric-actuating linear piezoceramic ultrasonic motor capable of producing a scissoring effect”。該文章的第一作者是北京大學(xué)材料學(xué)院2018級(jí)博士生李占淼，董蜀湘教授是本文唯一通訊作者。該成果已同時(shí)申報(bào)中國發(fā)明專利一項(xiàng)。

論文信息：DOI:10.34133/research.0156