本文是一篇工程硕士论文，本课题针对传统的刚性气泵作为气动软体机器人气源存在的不足，提出了一种柔性材料制备、静电驱动的多层折纸气泵。该多层折纸气泵利用静电驱动，以手风琴折纸为主体，凭借立体折纸结构在压缩状态下自回复的特性，实现气泵的连续工作。
第1章 绪论
1.1 课题背景和研究意义
近年来，受生物系统启发，具有优越的顺应性和灵活性的软体机器人引起了广泛关注与研究[1–3]。与传统刚性机器人相比，软体机器人采用柔软且灵活的材料和结构，实现了更为安全的交互操作[4]。这一特性为软体机器人开辟了丰富的应用场景，例如灵巧的软抓手、可穿戴的辅助医疗设备以及仿生软体机器人等[5]。软体机器人尤其适用于需要精细操作以及复杂非结构化环境中的导航任务，在安全性、适应性和灵活性至关重要的应用场景中展现出巨大的发展潜力[6,7]。
在各类软体机器人中，流体驱动的软体机器人通过流体动力源向执行器泵入流体（包括空气和液体），根据流体的输出流量和压力来控制执行器的变形与位移[8]。得益于空气的低密度和低粘度特性，气体驱动的软体机器人更轻便，响应速度更快，适合需要频繁变形和快速响应的场合[9]。而液体驱动则存在体积较大和液体泄露后污染环境等问题，限制了其应用[10]。基于这些特点，目前对气动软体机器人的研究正在不断深入，并成为软体机器人技术发展的重要方向[11]。
然而，目前气动软体机器人使用的气泵，通常体积、质量较大。例如空气压缩机或其他刚性气泵等，难以在空间有限或需要持续移动的环境中使用[12]。此外，这些泵在操作过程中会产生明显的噪音和振动，影响人机交互体验和机器人的精确运动。为了克服传统气泵的局限性，研究者致力于开发基于柔性材料与结构的气泵，旨在探索结构灵活、轻便且适应性更强的气泵[13]。目前的柔性气泵根据驱动机制可分为多种类型，包括化学燃烧驱动[14]、介电弹性体（DEA）驱动[15]、静电驱动[16]、形状记忆合金（SMA）驱动[17]及磁场驱动等[18]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 静电驱动研究现状
早期的静电驱动是在一对电极上施加交流电压时，极板间形成不均匀的介电场，从而产生静电吸引力。然而，产生的静电力通常很小，在实际应用中难以作为主要的驱动力[23,24]。随着研究的不断深入，近年来有学者提出了一种新型静电驱动，通过对正负电极接入高压直流电，并在电极间施加介电液体，放大静电力驱使两电极相互吸引的同时，极板也在不断挤压介电液体，从而持续放大静电力。这种现象被称为介电泳液体压缩（Dielectrophoretic Liquid Zipping，DLZ）。目前对于静电驱动研究较为深入的主要是美国科罗拉多大学的Keplinger团队和英国布里斯托尔大学Rossiter研究团队，具体如图1.1所示。
第2章 多层折纸气泵设计与制备
2.1 多层折纸气泵驱动原理与结构设计
2.1.1 现有静电气泵与折纸构型分析
本文设计的多层折纸气泵主要针对小型气动软体机器人，这类机器人所需的驱动气源输出气压通常在数千帕，流量在数百毫升每分钟。同时，为了满足软体机器人在复杂环境中的灵活运动需求（如爬行、抓取或变形），要求气泵体积、质量、功耗较小，以适应软体机器人轻便、紧凑的集成需求[4]。这使得传统的刚性机械气泵难以满足这些需求。目前采用DLZ机制驱动的柔性泵尺寸往往都在厘米级[16]。这是因为过大的电极面积会增加电极击穿的风险，同时会延长拉链式吸合的时间，从而降低泵的响应频率。然而，过小的电极面积又会显著降低泵的输出流量，限制其应用范围。例如，在现有研究中，Diteesawat等人开发的静电软气泵（Electrostatic Pneumatic Pump, EPP）具有代表性[22]。该气泵单片电极面积为24cm²，驱动功耗仅为0.53W。然而，由于柔性材料热封形成的折纸铰链缺乏自回复能力，需要内置弹簧作为回复装置以实现气泵的连续工作，这不仅增加了结构复杂性，还限制了性能表现，致使其最大输出压力仅为2.34kPa，输出流量为161 mL/min。后续有研究提出了分布式电极静电软气泵（Segmented Electrostatic Pump, SEP）[52]。虽然在一定程度上改善了性能，但仍需依赖内置弹簧实现连续泵气，未能解决现有软气泵回复能力不足的问题。
对于采用DLZ机制驱动的柔性泵，需要通过介电液体在电场作用下的拉链式运动实现气体压缩，其核心在于利用“V”形夹角来实现电极的拉链式吸合。而折纸结构的山折痕和谷折痕恰好形成了这种““V”形夹角，为DLZ机制提供了理想的结构。同时，折纸结构还具有独特的机械优势，其折叠和展开能力不仅实现了大变形量，还简化了制造工艺。此外，针对静电驱动气泵自回复性能差这一问题，研究者开始探索将DLZ机制与受压缩时可自回复能力的立体折纸构型相结合的新途径。例如Dong等人提出将DLZ机制与Kresling折纸构型相结合，提出一种Kresling折纸软泵[53]。
2.2 多层折纸气泵制备方法
2.2.1 材料选取
在多层折纸气泵的制备中，所用材料主要包括绝缘材料、导电介质和介电液体。其中，折纸框架的选择至关重要，需要使用具有较高弹性模量的可折叠柔性材料。这种材料应能够按照手风琴图案的折痕进行折叠，形成立体的折纸框架。此外，折叠后的柔性材料应具备较好的回复力和较长的使用寿命。在调研了市面上相关的柔性材料后，本文选择了厚度为100μm、杨氏模量为3250 MPa的硬质PVC薄膜作为折纸框架的材料。PVC薄膜不仅具备良好的绝缘性能，而且形成的山、谷折痕清晰，具有稳定的回复性。同时，其成本低廉，易于加工制备。
介电液体选用上海沪试的二甲基硅油，型号为H201-50，其纯度极高，能有效降低击穿的风险。此外，注入介电液体的量也将影响气泵的工作，较少的介电液体使得拉链式吸合不完整，影响其对静电力的放大效果，进而影响输出气压；而过量的介电液体将会增加泵的质量，并在泵完全吸合时，使得液体流入三通阀中，污染通道。相关研究报道注入介电液体的体积在气泵腔室容积的18%时，可实现最大输出性能 [22]。考虑到本次实验的气泵单个腔室的体积约为5ml，所以实验的气泵单个腔室注入的介电液体量为0.9ml。
绝缘层的主要功能是隔绝电极层与空气的直接接触，防止通电电极与空气接触时产生电弧，从而确保折纸气泵在通电工作时的安全性。此外，绝缘层还为整个腔室提供足够的刚性支持，以保证腔室在吸合和展开过程中的稳定性。目前，静电致动器中常用的绝缘层材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚氯乙烯（PVC）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。而电极材料则多选用金属、石墨、碳纳米管以及导电水凝胶等。
第3章 多层折纸气泵数学建模 .............................. 25
3.1 多层折纸气泵几何结构建模 ............................ 25
3.2 多层折纸气泵静电驱动建模 ............................... 27
第4章 多层静电折纸气泵实验与性能表征 ................ 36
4.1 便携式高压电源设计与实验控制平台搭建 .................... 36
4.1.1 便携式高压电源设计 ............................. 36
4.1.2 实验控制平台搭建 ........................... 38
第5章 多层折纸气泵优化设计与应用研究 .................. 45
5.1 不同电极尺寸对多层折纸气泵输出性能影响 ............................ 45
5.1.1 不同电极尺寸折纸气泵输出气压实验 .................................. 46
5.1.2 不同电极尺寸折纸气泵输出流量实验 .................... 47
第5章 多层折纸气泵优化设计与应用研究
5.1 不同电极尺寸对多层折纸气泵输出性能影响
本文设计的多层折纸气泵在电极面积一定的条件下，电极长宽比的减小会降低腔室顶部褶皱的长度，进而降低折纸结构的阻力，并且底部的折纸铰链角度也会变小，从而使输出气压随电压升高的趋势更加显著。这一结论已在3.3节的理论分析中得到验证。然而，电极长宽比的减小同时会限制气泵的内部容积，可能导致输出流量性能的下降。为了进一步探究电极尺寸对气泵输出性能的影响，本节将在第4章实验的基础上进行优化设计实验，探究在相同电极面积下，不同电极尺寸对多层静电折纸气泵输出性能的影响，以便更好的针对不同应用场景进行定制设计。
为探究不同电极尺寸对折纸气泵输出性能的影响，在保证电极数量与面积相同的情况下，本次实验制备了62.5mm*40mm，50mm*50mm，40mm*62.5mm三种不同电极尺寸的三腔室折纸气泵，实验测试其最大输出压力与连续输出流量性能。三种气泵实物如图5.1所示，具体尺寸参考表2.1。
第6章 总结与展望
6.1 论文总结
本课题针对传统的刚性气泵作为气动软体机器人气源存在的不足，提出了一种柔性材料制备、静电驱动的多层折纸气泵。该多层折纸气泵利用静电驱动，以手风琴折纸为主体，凭借立体折纸结构在压缩状态下自回复的特性，实现气泵的连续工作。本文从研究背景出发，通过调研相关材料与工艺，确定了折纸气泵的制备流程。随后，建立折纸气泵准静态响应模型，得到驱动电压与输出气压之间的关系，并实验表征了折纸气泵的驱动性能。最后，探索了折纸气泵的电极尺寸与腔室数量对折纸气泵输出性能的影响，并展示其作为柔性气源的相关应用。
（1）静电驱动的多
