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Jun 22, 2023

Eine symmetrische

26. Juli 2023 Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

26. Juli 2023

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von Research

Als elektromechanische Aktuatoren werden symmetrische Betätigungsgeräte häufig in Bereichen eingesetzt, in denen symmetrische Bewegung, Antrieb und Steuerung erforderlich sind, wie z. B. Greif- oder Scherenvorgänge und schnelles symmetrisches Öffnen oder Schließen von Mikrokanälen.

Ein Szenario mit starker Nachfrage ist die minimalinvasive Chirurgie, einschließlich präzisem Greifen und Schneiden von Tumorzellen, Netzhautmikrochirurgie usw. Im Bereich mikroelektromechanischer Geräte gehört der Scheren- oder Greifvorgang im Wesentlichen zu zwei symmetrischen Betätigungen zwischen zwei Endeffektoren. Allerdings gibt es kaum einen Motor, der direkt zwei symmetrische Linearbewegungen erzeugen kann.

Um zwei symmetrische Bewegungen zu erzeugen, besteht im Allgemeinen eine relativ einfache Methode darin, zwei in Reihe oder parallel geschaltete Statoren zu verwenden, um jeweils zwei Läufer anzutreiben, die sich gleichzeitig aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Drehbewegung einer Abtriebswelle mit Hilfe eines Paares von Rückwärtsgewinden oder eines Paares von Rückwärtsgängen in zwei lineare symmetrische Bewegungen umzuwandeln.

Die dritte Lösung besteht darin, hochentwickelte Übertragungsmechanismen wie Zahnstangen und Ritzel, flexible Scharniere usw. einzusetzen, um die Bewegung eines Aktuators in eine Richtung in zwei entgegengesetzte Bewegungen umzuwandeln. Alle oben genannten Methoden führen jedoch zu komplizierteren und größeren Strukturen und können auf Kosten sehr begrenzter Hübe und Ausgangskräfte gehen.

Daher ist es notwendig, einen neuen Antriebsmechanismus zu entwickeln, um symmetrische hochpräzise Bewegungen mit einem großen Bewegungsbereich von zwei Läufern zu erreichen, die von nur einem miniaturisierten und integrierten piezoelektrischen Stator oder Aktuator angetrieben werden.

Die Forschungsgruppe von Professor Dong Shuxiang hat einen neuartigen linearen piezokeramischen Ultraschallmotor mit symmetrischer Betätigung (SLPUM) entwickelt, der ohne den Einsatz zusätzlicher komplexer Übertragungsmechanismen direkt bidirektionale symmetrische Bewegungsausgänge einer Schere erzeugen kann.

Die Grundidee besteht darin, dass ein piezoelektrischer Keramikstab, der (2 × 3) angeordnete Einheiten enthält, im gekoppelten Resonanzmodus des ersten Längsmodus (L1) und des dritten Biegemodus (B3) arbeiten kann, um an seiner Stelle zwei symmetrische elliptische Bewegungstrajektorien in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen zwei Reibungsspitzen.

Durch die Reibungskopplung können die beiden symmetrischen elliptischen Bewegungen von Reibungsspitzen in symmetrische, synchrone Gegen- oder Rückwärtsbewegungen zweier Mover mit gleicher Geschwindigkeit umgewandelt werden. Dieser Arbeitsmechanismus hat das traditionelle Arbeitsprinzip, dass ein Stator nur einen Aktuator antreiben kann, revolutionär verändert. Gleichzeitig verdoppelt dieser symmetrische Betätigungsmechanismus die Arbeitseffizienz des Piezomotors.

Da außerdem eine handelsübliche mikrochirurgische Schere auf den Schiebern montiert war, konnte das L1-B3-SLPUM auch für mikrochirurgische Roboter zur Durchführung hochpräziser mikrochirurgischer Eingriffe eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Schereneffekt die Ausgangskraft der beiden Antriebsenden um ein Vielfaches erhöhen.

Der Prototyp weist folgende Merkmale auf: (i) schnelle relative Bewegungsgeschwindigkeit (~ 1,0 m/s) zweier Schieber nach außen oder innen, (ii) hohe Schrittauflösung (40 nm für den Schieber), (iii) relativ große Leistung Kraft (3,4 N für die Schieber und 17 N für die Scheren), (iv) hohe Ausgangsleistung (347,8 mW) und Leistungsdichte (405,4 mW/cm3 oder 9,65 mW/cm3·kHz), was doppelt so viel ist wie berichtet, und (v) hoher Wirkungsgrad (22,1 %) unter dem elektrischen Feld von 150 Vpp/mm. Daher ist diese Arbeit aufschlussreich für zukünftige Designs piezoelektrischer Betätigungsgeräte.

Zur Verifizierung nutzten die Forscher diesen Prototyp, um Experimente in verschiedenen Anwendungsszenarien durchzuführen, etwa zum Schneiden von Kupferdrähten, Schweine-, Rindfleischscheiben, Därmen usw. Somit kann dieser Motor auch in mikrochirurgischen Robotern eingesetzt werden, um hochpräzises Greifen und Scheren durchzuführen und andere chirurgische Eingriffe. Und die in dieser Arbeit vorgeschlagene Designstrategie ebnet einen neuen Weg für die Entwicklung zukünftiger piezoelektrischer mikroelektromechanischer Geräte.

Die Studie ist in der Fachzeitschrift Research veröffentlicht.

Mehr Informationen: Zhanmiao Li et al, Ein symmetrisch betätigter linearer piezokeramischer Ultraschallmotor, der einen Schereneffekt erzeugen kann, Forschung (2023). DOI: 10.34133/research.0156