這是有關(guān)活塞的大新聞。不是那支綽號“壞小子軍團”的位于美國底特律的 NBA 球隊，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)機械零件。麻省理工學院（MIT）和哈佛大學的研究團隊合作開發(fā)了一種設(shè)計活塞的新方案，借助一個使用柔性材料制成的膜內(nèi)可壓縮結(jié)構(gòu)的機械裝置來取代傳統(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用到發(fā)動機里，可以讓汽車等交通工具的驅(qū)動力和經(jīng)濟性得到顯著提升。

“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)這項成果的意義。這項研究近日發(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、哈佛大學的羅伯特·伍德（Robert Wood）教授和 MIT 計算機科學與人工智能實驗室主任丹妮拉·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)建了一個發(fā)動機模型，即利用蒸汽推動活塞來做功。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)的活塞是由一個硬質(zhì)缸體和運動活塞組成，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。因此，活塞內(nèi)分為兩個充滿兩種流體（可以是水、油或者氣體）的空間，并連接到兩個外部的流體源。如果流體存在不同的壓力，活塞就會滑向壓力較低的方向，同時可以驅(qū)動活塞桿或其他裝置的運動。這一原理已被用于設(shè)計許多機器，包括各種活塞發(fā)動機、液壓升降機、電動工具、減震器和起重機等。然而，傳統(tǒng)活塞存在幾個缺點：運動活塞與腔室內(nèi)壁之間的高摩擦力會導致密封失效、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該都會發(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)化效率和啟動響應速度往往是受到限制的。李曙光在接受 DeepTech 采訪時表示，他本身是機械制造的科研背景，之前一直專注于模塊化機器人領(lǐng)域，其中包含了各種新概念的機器人。最近幾年，機器人領(lǐng)域興起了一個熱點研究方向——軟體機器人，就是用“軟”材料來做新式的機器人。目前有很多材料專家、機器人專家都投入其中，幾乎每年都能有兩、三篇關(guān)于軟體機器人、柔性裝置的論文在頂級期刊發(fā)表。

而在柔性機器人領(lǐng)域，李曙光的研究重點是如何應用柔性材料（硅膠、泡沫或紡織物等），或者制備特殊的柔性復合材料來實現(xiàn)原本機器人沒有的功能，以便機器人可以更安全地與人交互。在柔性機器人研究領(lǐng)域，最為關(guān)鍵的兩點分別是新型驅(qū)動器和傳感器的設(shè)計。柔性機器人的驅(qū)動器研究則涉及使用何種材料來制造，是選擇電動、氣動還是液壓驅(qū)動等問題。李曙光目前專注于氣動領(lǐng)域，想辦法如何使用壓縮空氣來驅(qū)動“人工肌肉”。使用柔性材料對活塞重新設(shè)計，與李曙光之前的研究工作一脈相承，當他嘗試使用柔性材料做驅(qū)動器時，發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)出的性能比傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的設(shè)計還要好。軟的比硬的還強？這是個非常有意思的發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)這一點之后，很多人自然就會將它和現(xiàn)有工業(yè)上使用的液壓或者氣動的活塞、壓氣缸進行對比。李曙光在聽到了大家好奇的疑問之后，激發(fā)了他作為科研學者的精神，索性決定親自實驗一下。他把之前做的柔性驅(qū)動器——“人工肌肉”裝在一個硬質(zhì)的缸體內(nèi)，就像現(xiàn)有的氣動或液壓活塞一樣，之后再給缸體內(nèi)部加壓，進而測試各種性能。經(jīng)過驗證之后，發(fā)現(xiàn)柔性材料設(shè)計的新活塞結(jié)構(gòu)確實要比傳統(tǒng)活塞的性能強很多。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，同時其能量轉(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. 柔性材料活塞的實驗室原型；c & d. 在相同驅(qū)動氣壓下，傳統(tǒng)活塞（氣動）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-藍色）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)計的新活塞性能優(yōu)異的原因，在于其跳出了物理學領(lǐng)域中的壓力與壓強關(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，是將密封腔內(nèi)的驅(qū)動壓力轉(zhuǎn)換為柔性材料內(nèi)部的張力，直接傳遞到相連的運動機構(gòu)上。在此新型活塞中，柔性“皮膚”材料的表面積要遠大于缸體的截面積。

普通材料結(jié)合帶來的不普通設(shè)計

每當聽到有基于材料領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計時，大部分人的第一反應多半會是：“這新玩意兒，得挺貴吧？”大多數(shù)的實驗室研究成果在試圖轉(zhuǎn)化到應用領(lǐng)域時，可能都存在成本造價太高、性價比低、很難投入大規(guī)模應用等問題，從而被產(chǎn)業(yè)拒絕。這個“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)計而成。所以從材料成本角度來看，它與傳統(tǒng)活塞相比不會顯著增加。同時，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該還會更加輕量化。

圖 | 制造柔性材料新活塞的材料和部件：#1 有機玻璃缸體、#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，柔性材料新活塞的制作工藝也簡單易懂。李曙光對這項研究的后續(xù)計劃中曾考慮過，如果投入更大規(guī)模的生產(chǎn)應用測試階段，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）

從實驗室的耐久測試到應用的可靠性判斷

除了材料和制造成本的問題之外，另一項尤為值得關(guān)注的，就是其在應用層面上的可靠性。李曙光說，在做這個新型活塞實驗之前誰也不知道結(jié)果到底如何。所以在性能測試表現(xiàn)很好之后，對新型活塞的實驗室原型做耐久性測試就是很自然的一項工作。“我也想看看它到底怎么樣，萬一壞了，這項實驗也就算完了。”在做耐久性測試時，李曙光其實是很擔心的。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)進行了19 個小時的循環(huán)測試，往復驅(qū)動超過一萬次。在這個過程中，新型活塞的實驗室原型樣機表現(xiàn)得十分穩(wěn)定。

圖 | 耐久性循環(huán)試驗的實驗裝置和結(jié)果：a. 實驗裝置；b. 重復精度測試；c. 耐久性 （來源：李曙光）當然，對于實際的工程應用活塞來說，需要考慮的問題會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，均是考慮了實驗室在密封性、強度和安全性等多方面限制而進行的整體設(shè)計與操作。未來，李曙光團隊計劃將實驗規(guī)模向工程生產(chǎn)的角度進一步拓展。同時，由于實驗室原型所用材料本身以及粘結(jié)方法的限制，它暫時還不能在高溫和高壓的環(huán)境下使用。針對這一缺陷，李曙光表示這個問題也是下一階段他們團隊研究的重心之一。因為如果想將新型活塞用到發(fā)動機里，使得汽車等交通工具的驅(qū)動力得到顯著提升，首先要保證活塞能夠耐高溫、高壓，并且擁有更長時間的使用壽命。“這個問題的解決辦法應該不難”，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合材料。”

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，之前實驗室原型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是單向作用的，其應用效果類似千斤頂?shù)纫簤貉b置，而活塞通常都需要滿足往復運動的需求。“這是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的事情，因為實驗最初只是為驗證我的一個想法，更大的意義是提出并驗證了一種新概念”，李曙光說，“我們在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上很有信心。之后讓新型活塞完成往復運動，甚者其他更多的運動模式都不是問題。”

圖 | 不同骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計的新型活塞：傳統(tǒng)運動模式、完全“柔性”模式，以及可旋轉(zhuǎn)運動模式 （來源：李曙光）李曙光表示，該實驗發(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)計成各種不同的形狀；同時，還可以滿足自定義輸出力的大小、方向等不同要求。”