超高精密定位与微纳操作、驱动技术在国家战略产业发展和尖端科学研究中占据有极其重要的地位，广泛应用于航天工程、半导体微电子加工、生物医学、光通信等领域。而压电马达因其具有的分辨率高、无电磁干扰、行程长、速度快、噪声低、断电自锁等优势，在众多的驱动执行器件中脱颖而出。但是，对于绝大多数压电马达来说，高速运动能力和高步进分辨率都是难以兼顾的，如非谐振式压电马达适合应用于对步进分辨率要求高的场景，但运动速度十分缓慢；谐振式压电马达具有更高的运动速度和驱动能力，但步进分辨率较低。随着高精密技术的进一步发展，为满足工业领域和科学研究的多样化需求，实现微型化压电马达在高输出力、宽运动速度范围、高步进分辨率上的兼顾是一项重要的挑战。
       近日，北京大学材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组受到脚踏自行车运动机理的启发，提出了一种工作于第二阶弯曲（B2）单振动模态、具有纳米分辨率和高功率密度特征的新型微型直线压电马达（LPUM）。结合B2模态反对称振型特性，在振型的位移振幅最大的两个部位设计一对左、右摩擦耦合驱动头，分别产生具有180°相位差、但具有同向运动轨迹的椭圆振动。类似于两个脚踏板，左右两个驱动头可在一个振动周期内交替的地驱动一个滑块产生直线运动；即一个周期内，可以实现两次交替、同向驱动滑块运动，而不是传统的压电直线马达一个周期内只能驱动滑块运动一次，因此，显著改善了压电马达的输出力和运动性能。

仿脚踏自行车运动机理的模拟示意图

         受脚踏自行车运动驱动机理启示，相应设计的压电陶瓷工作在d31模式和d15模式及它们的协同作用。研制的压电马达表现出优秀的综合驱动特性：快的驱动速度（211mm/s），较大的驱动力（5.4 N），以及高的功率密度（243 mW/cm3），是已有报道的两倍以上。同时，提出的新型仿生运动压电马达可以在很宽的运动速度范围（3.3 μm/s ~ 211 mm/s）内工作，具有超高的步进位移分辨率（33nm）。同时，提出的压电马达工作在单振动模态，也可以有效克服传统依靠复合模态工作的压电马达存在的结构设计复杂、功耗大、易受环境温度变化影响的弊端。
        本发明提出的高功率密度压电马达具有优秀的综合驱动性能——结构紧密、集成度高、负载大、功率密度高、步进分辨率高，在航天工程、半导体器件加工、医学操作、光通信等领域都将会有广阔的应用空间。同时，本研究也证实了仿生运动策略对压电器件设计的启发意义。
        这一成果近期发表在国际工业电子领域顶级期刊：IEEE Transactions on Industrial Electronics（JCR分区：Q1）上，题目为“A High-Power-Density Piezoelectric Actuator Operating in Bicycling Movement Mechanism”，（DOI：10.1109/TIE.2022.3190900）。文章的第一作者是北京大学材料学院2018级博士生李占淼，董蜀湘教授是本文通讯作者。该成果同时已申报中国发明专利一项。

压电材料具有将机械力转换为电荷的出色能力，反之亦然。压电陶瓷如锆钛酸铅，铌镁酸铅-钛酸铅等已被广泛应用于传感器、致动器、换能器和能量采集器。然而，陶瓷材料本身是脆性的。对于传统陶瓷材料而言，机械柔韧性和压电性是两个相互矛盾的属性，提高一种性能通常会损害另一种性能。例如锆钛酸铅基陶瓷具有较高的压电性能，但由于其固有的脆性，锆钛酸铅基陶瓷不适合直接集成到柔性电子器件中。为了拓宽压电材料在柔性感知等领域的应用，需要开发出兼具机械柔韧性和对环境机械振动或外界刺激做出响应的柔性压电陶瓷复合材料。

      最近，北京大学工学院董蜀湘课题组，利用3D打印技术，成功制备了一种具有高机电耦合和压力敏感的聚合物基柔性压电陶瓷复合材料，可以实现任意网格形状的设计制备。实验结果表明，通过该方法打印设计的压电复合材料具有设计灵活性和机械柔韧性的特点，3D打印的压电复合材料可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度而不断裂；被压缩到最大80%的应变后，去除外部载荷后仍可以迅速恢复到其初始形状。通过将压电陶瓷与银纳米颗粒相结合设计成压电半导体异质结结构，极化后的压电复合材料的压电电压系数也得到了显著提升，可以达到400×10-3 V m N-1。进一步研究发现，极化后的3D打印压电复合材料对手指轻微敲击都有很高的感应灵敏度，并且对自由掉落物体的冲击具有较大的电压响应；通过机电耦合作用，可以有效地将输入的机械能转换为电能，并且无需使用任何电荷存储单元即可点亮20个商用红色LED灯。这项研究成果有望在未来的柔性可穿戴电子设备，机器人柔性感知和生物信号识别等，以及机械能量回收方面具有重要应用潜力。该成果目前在线发表于国际重要期刊《纳米能源》（Nano Energy）。论文题目为：3D-printed flexible, Ag-coated PNN-PZT ceramic-polymer grid-composite for electromechanical energy conversion（DOI:  10.1016/j.nanoen.2020.104737）。原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 2949?via=ihub#bib30。
       该论文的第一作者是北京大学工学院材料工程与科学系2018级博士生王泽环，董蜀湘教授是论文通讯作者。合作者还包括南方科技大学汪宏教授、济南大学青年教师郇宇。这项研究获得国家自然科学基金委（51772005，51132001）资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。