超薄彈性薄膜打造輕量節能泵閥革新真空技術

科技 03-13

德國薩爾蘭大學的研究團隊正在開發一種微型泵閥，其核心技術是利用介電彈性體矽膠薄膜的運動來驅動。這些裝置不僅輕巧、緊湊且節能，更無需壓縮空氣、馬達或潤滑劑即可運作。它們適合在無塵室中使用，並能在運作時進行連續控制。

由Stefan Seelecke教授和Paul Motzki教授領導的研究團隊，將在今年3月31日至4月4日的漢諾威工業展上展示一款基於薄膜技術的真空泵原型。這項輕量低耗能的技術能夠將壓力抽至300毫巴（約為標準大氣壓的30%）。

真空技術在日常生活中無處不在，從家用真空封口機到汽車的煞車助力器，再到醫療領域的手術抽吸系統、製藥和生物技術產業的冷凍乾燥和蒸餾過程，以及工業加工中的機械手臂夾具等。傳統上，產生真空需要使用馬達驅動的真空泵，但這些泵不僅耗能高，通常體積龐大且噪音大，還需要定期維護和潤滑，這在無塵室或無菌環境中往往難以實現。

薩爾蘭大學和機電一體化與自動化技術中心（ZeMA）的研究團隊開發的泵閥完全不需要外部馬達，並且在運作過程中消耗極少的能量。這些裝置的核心是薄矽膠薄膜，只需施加小電壓即可驅動。

「我們的技術製造成本低，且由於元件輕巧，節省了空間和重量，因此我們開發的泵閥比使用傳統技術的同等裝置更加節能。與市售的電磁驅動氣動閥相比，我們可以以400倍的節能效率驅動相同的閥門。」Paul Motzki教授解釋道。

此外，這項技術無需使用昂貴或難以獲取的材料，如銅或稀土元素。另一個優點是噪音降低，基於薄膜的泵比傳統壓縮機驅動的泵更加安靜。

矽膠薄膜的厚度僅約為二十分之一毫米，研究人員能夠非常精確地控制這些超薄薄膜的運動。這是因為在薄膜的兩側印刷了高度柔性的導電層，形成所謂的介電彈性體。當工程師對彈性體薄膜施加電壓時，導電層會相互吸引，壓縮聚合物並使其側向擴充套件，從而增加其表面積。

「我們正在利用這些介電彈性體開發不需要額外感測器的驅動系統。」Paul Motzki教授補充道。

透過改變施加的電場，研究人員可以使彈性體薄膜執行連續可變的彎曲運動，或以特定頻率振動或彎曲，甚至可以將薄膜固定在特定位置而不需要持續供應能量。

「這些介電彈性體薄膜具有自我感測功能，能夠充當自身的位置感測器。」Motzki教授表示。

薄膜的每個變形或位置變化都可以對應到一個精確的電容值。即使薄膜的輕微移動也會導致電容的變化。利用這些電容值，工程師能夠精確量化薄膜的空間變形。

透過結合電容資料和基於人工智慧的機器學習，團隊開發了一個控制單元，可以預測和程式設計運動序列，從而精確控制彈性體薄膜的變形。將這些介電彈性體致動器整合到適當設計的裝置中，研究團隊能夠建立無馬達的真空泵、精確輸送液體的閥門，或充當無段開關的元件。

電容資料還能揭示裝置是否正常運作，例如真空是否過小，或者是否有異物阻塞閥門或泵。這些基於薄膜的泵閥具有自我感測功能，能夠進行自我狀態監控並報告問題所在。相比之下，傳統泵閥在大型工業裝置中出現問題時，故障排除往往更加複雜。

薩爾布魯肯團隊將在今年的漢諾威工業展上展示他們的最新薄膜真空泵原型，該泵能夠產生300毫巴的真空（約為標準大氣壓的30%）。

「我們的技術具有可擴充套件性。我們可以透過並聯、串聯或兩者結合的方式連線致動器和泵室，來增加壓力和體積流量。」Motzki教授表示。