北京大學在壓電MEMS領域取得重要進展：讓一塊壓電陶瓷實現了兩個馬達的驅動功能！

作為機電執行機構，對稱驅動常用于執行抓取、剪切，或者某些微通道的快速對稱開啟、關閉，以及其它需要產生對稱運動、驅動與控制的領域。比如，人體內的微創手術，包括精密剪切、抓取腫瘤細胞，以及更精細的視網膜顯微剪切手術等。在MEMS領域，剪切或抓取操作本質上可以歸結為末端執行器的兩個線性對稱驅動與操作。但是，目前幾乎沒有一種馬達可以直接產生兩個對稱驅動輸出，或者兩個對稱直線運動輸出的功能。

通常，為了產生兩個對稱的驅動，比較簡單的方法是利用一對電機協同完成：將兩個馬達定子串聯或并聯在一起，同時驅動兩個動子做相對運動；另外一種方案是借助一對反向螺紋副、或者一對反向齒輪副，將一個馬達輸出軸的旋轉運動轉換成一對線性對稱運動。也有報導，利用一個壓電疊堆與復雜的柔性鉸鏈機械結構組合在一起，實現單向驅動轉換成雙輸出對稱驅動。但是前兩種方案通常會使結構和驅動電路變得復雜，不利于器件的小型化和集成化；第三種方案通常只能產生非常有限的輸出行程及輸出力。因此，如何使一個馬達在不需要額外機械傳動機構的前提下就可產生兩個對稱驅動，以及同時產生兩個對稱直線運動輸出功能，對電機的微型化、精密化，以及驅動性能的提升都具有重要意義。

近日，北京大學董蜀湘教授課題組在壓電MEMS領域獨辟蹊徑：發明了一種壓電馬達，只需一個壓電陶瓷，就可產生兩個對稱驅動和實現兩個對稱運動輸出功能。而傳統上，需要利用兩個壓電陶瓷（定子）來驅動兩個動子和產生對稱運動輸出。本發明的壓電馬達，其基本思想是利用一塊（2×3）序構壓電陶瓷激發一階縱振動模態和三階彎振動模態，即L1-B3復合振動模態，如圖1所示。這個振動模態在其兩個端部產生方向相反的一對橢圓軌跡振動，進一步通過端部兩個驅動頭的界面摩擦耦合可以直接驅動一對動子（滑塊），以相同的速度產生對稱的、同步的向內或向外的直線運動。即無需額外的機械傳動結構，同步實現驅動兩個負載并產生對稱的相向或者背向運動，見圖2。發明的新的壓電馬達工作機制，對傳統的一個壓電定子只能驅動一個動子的工作原理做出了變革性的改變。同時，這種對稱驅動機制使壓電馬達工作效率提高了一倍。

圖1 對稱驅動壓電馬達定子的結構和工作原理示意圖

圖2 一塊壓電陶瓷變成兩個馬達：可同時對稱驅動兩個負載

進一步地，將一副商用微創手術剪刀與該壓電馬達裝配在一起，壓電馬達可以產生剪切功能，實現對微創手術剪刀的高精密對稱操作，其具體結構如圖3A所示。此外，產生的剪切效應又使兩個驅動端部的輸出力提高了若干倍。實驗測試發現該馬達有如下優勢：(i)快的相對運動速度（~ 1 m/s）；(ii)高的步進分辨率（40 nm）；(iii)高的功率密度（405.4 mW/cm3），是已有報道的兩倍以上；(iv)高的工作效率（22.1%）；(v)寬的速度調節范圍，見圖4。

圖3對稱壓電馬達與微創手術剪刀（剪切效應）

圖4對稱壓電馬達的微納米操作功能

作為其進一步的驗證，使用該樣機進行了不同應用場景下的剪切實驗，如剪切銅導線、豬肉絲、牛肉片、腸道組織等，如圖5所示。故該馬達可進一步應用于顯微外科機器人中，進行高精密的抓取、剪切等外科手術。相關實驗證實了該馬達用于精密微創手術的巨大潛力。

圖5 使用對稱驅動壓電馬達操作微創手術剪刀剪切銅線(a)、豬肉絲(b)、牛肉片(c)和腸道組織(d)的圖片

本工作提出的設計思想與策略對未來對稱驅動裝置的設計，以及對未來微機電的發展也具有啟發意義。

這一成果近期在線發表在Research上（Q1區），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材料學院2018級博士生李占淼，董蜀湘教授是本文唯一通訊作者。該成果已同時申報中國發明專利一項。

論文信息：DOI:10.34133/research.0156